Propagación
Generalidades
La razón principal por la que empleamos ondas de radio: comunicarnos, escuchar música, ver televisión o transportar datos, es que no precisan alambres o dispositivos especiales para una vez producidas viajar hasta su destino. En muchas ocasiones emplear otros métodos puede ser económica o técnicamente imposible o poco viables,como por ejemplo la comunicación con dispositivos móviles terrestres, marinos o aeroespaciales. Por esa razón una de las propiedades más importantes de las ondas de radio es el mecanismo con que se trasladan. No es que no requieran de cables o tuberías lo que las hace tan útiles, sino el que no precisen de absolutamente nada para trasladarse, ¡ni siquiera un «éter»!. Esto no implica que puedan moverse o propagarse a través de cualquier sustancia (en general no pueden hacerlo dentro de los conductores y sufren importe atenuación dentro de los sólidos) o que puedan llegar hasta donde deseemos; tienen limitaciones y leyes que gobiernan su comportamiento, sin embargo las limitaciones son incomparablemente pequeñas respecto de sus posibilidades.
El conjunto de fenómenos por el cual las ondas de radio pueden viajar de un punto al otro se denomina Propagación. La onda puede atravesar diferentes medios (sustancias) o encontrarse con obstáculos y como resultado de ello sufrir importantes cambios de dirección e intensidad en el proceso. La propagación de las ondas dependerá del ambiente por el que viajan, pero también dependerá mucho de su longitud de onda. Los mecanismos de propagación de una onda en el espectro de las ondas medias pueden ser tan diferentes de los que se dan en las ondas ultracortas, que requieran cada una un estudio especial.
Las ondas utilizadas por los receptores comunes de «onda larga» (técnicamente se denominan «ondas medias»), aprovechan una propiedad de las señales de esas longitudes de onda que les permite propagarse superficialmente siguiendo la curvatura de la tierra. Estas señales se denominan «ondas de superficie». Con ondas más cortas este mecanismo comienza a ser poco eficaz. Felizmente estas ondas cortas consiguen propagarse muy bien aprovechando la propiedad de las capas superiores de nuestra atmósfera para reflejar ciertas longitudes de onda. Este mecanismo hace posible comunicaciones intercontinentales.
Las comunicaciones usuales de la mayoría de los aficionados se realizan en frecuencias llamadas elevadas y muy elevadas (HF y VHF) (las frecuencias de HF son las de la familiar «onda corta»). La propagación en FME (VHF) terrestre (donde se encuentran las emisiones de broadcasting en FM y TV usuales), es casi directa .
Hay otros mecanismos por los que una señal puede llegar aun destino, por ejemplo, reflejándose en objetos existentes en el entorno tales como edificios, montañas, etc. También fenómenos atmosféricos ó cuasi ópticos especiales que dan lugar a mecanismos muy interesantes.
En VHF y UHF, suele ser importante que las antenas se encuentren elevadas sobre el terreno para lograr alguna distancia pues estas ondas se atenúan rápidamente mas allá del horizonte, no obstante para alturas importantes en términos de longitud de onda se producen fenómenos que pueden perjudican mucho un enlace (ver «Zonas de Fresnel»)
En las frecuencias elevadas (FE – HF), los mecanismos de propagación son variados, a veces la señal llegará a destino por un camino idéntico al que acabamos de ver para las VHF (especialmente en la parte alta del espectro de HF), otras veces mediante las llamadas ondas terrestres o superficiales (sobre todo en las frecuencias más bajas), pero sin duda el modo más importante en la historia de la radio y para la nuestra en particular se debe a que las ondas pueden reflejarse en regiones que se encuentran a gran altura en la atmósfera, permitiendo alcanzar grandes distancias.
Por este medio, una señal puede viajar por todo globo terrestre reflejándose repetidamente entre alguna de esas regiones y la superficie terrestre. Esas capas reflectoras reciben el nombre de ionosfera porque en ella existen cargas eléctricas llamadas iones responsables del proceso de reflexión.
Las condiciones físicas y eléctricas de la ionosfera que posibilitan la comunicaciones en FE (HF) a grandes distancias están estrechamente relacionadas con las emisiones de energía del Sol, especialmente la radiación ultravioleta. La variable más importante en el proceso es la misma rotación de la tierra que hace que la región ionosférica accesible a las estaciones que intentan enlazar están expuestas sucesivamente a los rayos solares y a la sombra de la tierra a medida que ella gira.
El ángulo de incidencia de los rayos solares en las distintas latitudes y estaciones del año influye en la intensidad de la ionización de la capas atmosféricas. Algunos procesos físicos del Sol también llegan a producir efectos tan dramáticos como la anulación total del mismo fenómeno de la propagación ionosférica.
Un evento beneficioso para nuestro fin lo constituyen la producción de las llamadas «manchas solares» que aunque son muy brillantes, se observan como regiones oscuras por contraste con sus zonas adyacentes. Las manchas producen un aumento en la intensidad de la energía que produce la ionosfera pero puesto que el sol también está en rotación la energía proyectada por las manchas no alcanza la Tierra en forma continua. También la cantidad de manchas varía con el tiempo en forma cíclica con un período de aproximadamente de once años.
El hecho de que las señales se reflejen en esas capas hace prever que los ángulos con que las ondas llegan a la capa reflectora y adonde serán reflejadas serán de gran importancia. Esto hace que se produzcan zonas a las que la señal no pueda alcanzar porque la reflexión la ha hecho llegar demasiado cerca o demasiado lejos de esos lugares.
Usualmente las ondas arribarán al receptor por varios caminos simultáneamente dando lugar a señales cuya intensidad se refuerza o desvanece más o menos rápidamente con el tiempo (desde fracciones de segundo hasta varios minutos), esto, que sucede permanentemente se conoce como desvanecimiento (fading).
El mismo fenómeno no solo hace que la señal varíe en intensidad sino que puede producir una distorsión capaz de hacer ininteligible la comunicación.
Conocer esos mecanismos facilita al aficionado predecir aproximadamente las mejores condiciones y horarios para realizar un determinado contacto, hoy existen auxiliares informáticos que son de gran ayuda, aunque la imprevisibilidad, lejos de ser una molestia otorga al aficionado entusiasta un estimulo más para su actividad.
La atmosfera
En el vacío las ondas de radio se mueven relativamente libres de influencias; en general un frente de onda lo hará en línea recta sin sufrir otra alteración que la disminución de su intensidad con la distancia de la fuente. Las estaciones de radio terrestres están sumergidas en un mar de gases donde hay mucha actividad de distinto tipo que varía con la geografía, la altura, la presión, la temperatura, la carga eléctrica, etc. Todos estos factores perturban el movimiento de las ondas de radio modificando su intensidad, dirección, polarización y su integridad. Quien se adentre en el conocimiento de las distintas formas en que se propagan las ondas de radio, de inmediato advertirá que la atmósfera juega un rol preponderante; no es superfluo imaginar los efectos que podría tener la atmósfera de Venus o Júpiter sobre las ondas radiadas por una sonda de investigación para advertir la importancia de este medio en el proceso.
Formas de propagación
No hay una sola manera en que las ondas alcanzan su destino una vez que abandonan su fuente; cómo lo hagan dependerá fundamentalmente de la frecuencia y del medio por el cual deben propagarse. Por ejemplo: una onda de radar puede hacerlo en línea recta hasta alcanzar su objetivo, mientras que una onda de una emisora de onda corta puede recorrer un camino más complicado reflejándose reiteradamente entre la tierra y las capas más altas de la atmósfera. Los resultados de un enlace depende, de la potencia del trasmisor, de la sensibilidad del receptor, del tipo de trasmisión, de la antena, del ambiente en el que está instalada y del modo de propagación de las ondas. Si el medio en que se propagan fuera uniforme las ondas se moverían en línea recta, pero las diferencias de características del medio que ellas encontrarán en su viaje (sólidos, líquidos, gases, vacío, conductores, iones, etc.) determinan su comportamiento real (reflexiones, refracciones, difracciones, atenuaciones).
Nota: En la literatura no hay coincidencia total en los nombres asignados a los distintos caminos que puede seguir la señal y ello produce cierta confusión, aquí trataremos de hacer las aclaraciones necesarias para que los términos empleados puedan compatibilizarse con los utilizados por los distintos autores.
Electrical Engineering Handbook
Los modos de propagación más comunes son:
Propagación por onda directa (direct wave):
La señal va del trasmisor al receptor por un camino directo sin obstrucciones ni reflexiones de importancia. Es el tipo de propagación que en general encontramos en una señal de VHF/UHF/SHF con una comunicación con un satélite artificial, un radar dirigido hacia un objeto en el cielo, satélites entre si, comunicación con naves espaciales o con otros objetos celestes naturales sobre los cuales se hayan asentado equipos de radio.
Es un término a veces mal usado, cuando se lo aplica a comunicaciones que se producen entre estaciones de HF/VHF/UHF que están dentro del alcance visual, con antenas normalmente elevadas sobre la superficie de la tierra; en estos casos la propagación de dice que es por «onda espacial», en ella están presentes una onda directa y una reflejada en tierra (ver figura debajo)
Esta antena podría estar comunicando por «onda directa»
Propagación por onda superficial o terrestre (surface wave – ground wave)*
La onda de superficie es una que se mantiene adyacente a la superficie de la tierra siguiendo su curvatura por un proceso de difracción. Tendrá polarización vertical a partir de una corta distancia del trasmisor pues cualquier componente del campo eléctrico horizontal es rápidamente absorbida por la tierra (que actúa como un cortocircuito, para é). Para aprovechar de este tipo de propagación convendrá emplear antenas de polarización vertical.
Es la forma habitual por la cual se reciben las señales de las emisoras de broadcasting de onda media (550 a 1750 KHz) durante las horas del día. También se denomina «propagación por onda terrestre». Este tipo de propagación es especialmente efectivo en el mar tanto en frecuencias medias (MF) como en frecuencias elevadas (HF). El efecto se aprovecha mejor cuando las antenas emiten con ángulos bajos de radiación. Antenas de cuarto o media onda montadas a nivel del suelo son excelentes para este cometido. Ellas permiten lograr comunicados en las frecuencias más bajas (por ejemplo 3,5 MHz) cuando los corresponsales quedan en «zona de salto» (skip) (mayormente durante la noche) o no pueden ser alcanzados durante el día por la absorción de la capa D. A veces se emplea mal este término para los casos de propagación por onda espacial.
* A veces se utiliza el término «onda terrestre» (ground wave) para designar también a las señales que no utilizan la ionosfera para propagarse entre dos estaciones con sus antenas cercanas a la superficie terrestre, este tratamiento suele encontrarse en los manuales de la ARRL incluyendo en esta designación tanto a la onda de superficie (surface wave) como a la onda espacial (space wave).
Propagación por ondas reflejadas en objetos materiales.
Este tipo de propagación es típico de las frecuencia más elevadas. Es responsable de muchos fenómenos que advertimos en las bandas de VHF y superiores. Las señales se reflejan en superficies que pueden considerarse «lisas» para la longitud de onda considerada pudiendo alcanzar lugares que podrían estar ocultos para las señales directas. En microondas suele utilizarse esta posibilidad artificialmente estableciendo repetidores pasivos en lugares elevados (cerros, montañas, edificios).
Propagación por difracción en bordes («filo de cuchillo»)
La difracción es un fenómeno observable en los sistemas físicos en los que intervienen ondas, por el cual las mismas, cuando encuentran un obstáculo, pueden rodearlo parcialmente (por eso podemos oír el sonido a la vuelta de una esquina). Las olas en los lagos o el mar también producen estos efectos.
Mediante la difracción, las señales de VHF o UHF pueden «doblarse» hacia abajo en los bordes de los edificios para que algo de la señal alcance una avenida con suficiente intensidad como para hacer posible el contacto. Del mismo modo en las cimas de los cerros puede producirse una difracción que permite a la señal alcanzar el valle que existe a continuación.
Propagación por onda espacial (space wave) o propagación por línea visual (LOS): *
Si las antenas se encuentran elevadas sobre el terreno la señal puede propagarse sin necesidad de la onda terrestre aunque siguen haciéndolo por la baja atmósfera, también se la designa como «propagación troposférica» (no confundir con la propagación por «reflexión troposférica»). La troposfera es la porción de la atmósfera que ocupa aproximadamente los 16 km más cercanos a la superficie.
La onda espacial esta compuesta habitualmente por dos rayos: uno directo entre la antena trasmisora y la receptora y otro reflejado en tierra que partiendo simultáneamente de la antena trasmisora, se refleja en la tierra y llega a la antena receptora con cierto retraso. La diferencia de distancia recorrida por el rayo directo y el reflejado determina la intensidad de la señal en el receptor debido al fenómeno conocido en física elemental como «interferencia de ondas».
La onda espacial es el modo fundamental de propagación en las frecuencias superiores a los 30 MHz. También es responsable de parte de la señal trasmitida en los comunicados a corta distancia en todo el espectro de HF.
Nota: No debe confundirse este modo con una traducción del término inglés «sky wave» queinterpretarse como «onda celeste o del cielo» y que hace referencia a la propagación por «onda ionosférica».
* Alguna literatura (por ejemplo la citada de la ARRL) también considera a la onda espacial (sky wave) como una de las formas de propagación por «ondas terrestres» («ground wave»).
Dibujo: Electrical Engineering Handbook
Propagación por onda ionosférica o celeste (sky wave):
Cuando un 12 de diciembre de 1901 Marconi logró cubrir una distancia de 3378 km entre Poldhu (en Cornualles un condado al suroeste de Inglaterra) y Saint John´s (en Terranova, provincia más oriental de Canadá), los observadores quedaron estupefactos porque si las ondas se propagan en líneas rectas ¿cómo podían haber salvado la curvatura de la tierra para alcanzar Terranova?.
Oliver Heaviside, físico inglés y Arthur Kennelly, ingeniero electrónico estadounidense propusieron en 1902 la hipótesis que esas señales fueran reflejadas por una capa de partículas cargadas ubicada a gran altura en la atmosfera. Esta capa fue hallada recién en 1920 por otro físico inglés, Edward V. Appleton quien consiguió calcular su altura mientras estudiaba el fenómeno del desvanecimiento de las señales. Se la nombró «capa de Kennelly-Heaviside» en honor a los científicos que formularon la hipótesis. Esta región de la atmosfera se halla a unos 100 km de altura y también se la conoce como capa «E». Poco después se descubrieron otras situadas a partir de los 225 km de altura (las capas F) llamadas «capas Appleton» en recuerdo de sus descubridor.
Vemos que en las regiones superiores de la atmósfera se producen los fenómenos más importantes relacionados con la propagación de señales a largas distancias por medios naturales, allí se establecen nubes de electrones libres bastante estratificadas producidas principalmente por la radiación ultravioleta del Sol. Esas zonas tienen la capacidad de «reflejar» de nuevo hacia la tierra las ondas de radio que inciden sobre ellas haciendo posible comunicaciones alrededor del globo a pesar de su esfericidad.
El nombre «ionosfera» fue propuesto en 1930 por el físico escocés Alexander Watson Wattporque los átomos de los gases allí existentes al ser excitados por los fotones de la luz ultravioleta solar liberan electrones (iones negativos). Así, el átomo normalmente neutro, se desequilibra y queda con una carga neta positiva (se dice que es un ión positivo), los electrones liberados (que poseen carga negativa) se denominan iones negativos. Ión significa «viajero/que viaja» y su nombre surge históricamente pues dentro de los electrolitos se mueven (viajan) hacia los electrodos que poseen carga opuesta a la suya..
En la ionosfera se producen cambios y variaciones que afectan a la propagación, estos cambios están relacionados de un modo u otro con el Sol ya sea por su posición relativa o su conducta propia. Algunos son regulares o cíclicos y pueden predecirse con relativa seguridad, otros en cambio son repentinos e imprevistos y provocan alteraciones importantes en la propagación de las señales.
Manchas solares – flujo solar
Las manchas solares son zonas más oscuras en la fotosfera del Sol en las que se producen intensas concentraciones de flujo magnético (aparecen más oscuros debido a que poseen menor temperatura que la zona circundante, pero su temperatura es del orden de los 3700 °K, y su brillo es aún mayor que la del filamento de una lámpara incandescente fotográfica.
Cuando la cantidad de manchas aumenta también aumenta la emisión de radiación ionizante (que tiene capacidad para arrancar electrones de los átomos), sobre todo rayos ultravioleta. Esta radiación produce la ionización de los átomos de las capas superiores de la atmosfera dando origen a las capas electrónicas que producen la refracción de las ondas devolviéndolas hacia la tierra que hacen posible los comunicados a larga distancia en ondas cortas. La cantidad de manchas presentes aumenta y disminuye con el tiempo siguiendo un ciclo bastante regular que dura unos once años afectando las posibilidades de comunicaciones a lo largo del ciclo. El sol tiene un período de rotación de veintisiete días y por eso las manchas se mueven conforme gira haciendo que su efecto sobre la propagación depende parcialmente de esta rotación. A menudo las mismas manchas persisten durante más de una revolución.
La cantidad de manchas solares existentes en un determinado momento se especifica con un índice llamado «R» o«Número de Wolf» (la cuenta no es la directamente visible). Para las predicciones se suele utilizar el SSN o Smoothed Sunspot Number o «Numero de manchas promediado» (doblemente) Ellas condicionan la propagación ionosférica.
Muy asociado con la cantidad de manchas solares está el flujo de radiación electromagnética en una banda de frecuencias de referencia situada alrededor de los 10,7 cm. Este flujo se mide con precisión y da una indicación bastante representativa del estado de la ionosfera. Se lo conoce como Indice de Flujo Solar – Solar Flux Index (SFI). (Nota: Para el uso radial a veces se utiliza un SSN calculado/estimado a partir del SFI denominado SSNf. La relación matemática entre el SFI y el SSNf es aproximadamente: F10.7 = 63.74 + 0.727 * SSNf + 0.000895*SSNf^2). (Estos valore difieren un poco según el laboratorio y metodología usados para cuantificarlos).
En HF, valores bajos del SSN (cercanos a cero) pronostica malas condiciones de propagación a distancia en bandas altas y buenas en bajas, lo inversa con valores altos de SSN (más cercanos a 200). Idem para el SFI: considerándose «bajo» un SFI cercano a 70 y «alto» uno próximo a 250.
Es importante destacar que cuando hablamos de la buena propagación en las bandas altas (resultante de mayores valores de frecuencia crítica) no estamos implicando que el fenómeno esté directamente determinado por un mayor flujo o cantidad de manchas solares en un dado momento, sino que está ligado a valores promediados, se trata de un promedio matemático especial en el que se consideran varios meses llamado Smoothed Sunspot Number «(SSN») que significa «Número de manchas solares suavizado, alisado o desbastado.
La correlación entre la capacidad de reflexión de la ionosfera en un dado día y la cantidad de manchas solares en ese día o los anteriores es bastante baja (frecuentemente menos de un 10%), en cambio la correlación con los valores medios dados por los SSN es bastante alta (superior al 80%). Datos más precisos y aplicables al momento sobre el estado actual de las capas se obtienen mediante mediciones directas efectuadas por las llamadas Ionosondas o Digisondas. o con datos obtenidos de satélites de la densidad electrónica media de diferentes regiones
Capas ionosféricas
Las nubes electrónicas mencionadas tienden a formar capas a distintas alturas (aunque mejor que la idea de capa es hacerse la de «región»). A estas capas o regiones se las designa mediante letras: D, E, F, etc. Cuanto mayor altura tiene una capa mayor es la distancia posible de alcanzar mediante una sola reflexión. La capa más alta es la F que durante el día está desdoblada en dos llamadas respectivamente F1 y F2 que se funden en una sola al atardecer. Recientemente se ha identificado una capa, denominada F3, que se forma en bajas latitudes (ecuador) cerca del mediodía, sus efectos son débiles…
Dibujo: Electronic Technician Vol VII
Efectos de las capas
Para comprender algunas de las explicaciones que siguen deberá esforzar su capacidad de visualización, recordando cómo rebota una bola de billar en la banda o una pelota en una pared.
La capa D, que se encuentra a baja altura (y es la primera que debe atravesar la señal en su camino hacia las capas superiores), tiene efectos adversos porque absorbe las señales pero no las refractar nuevamente hacia la tierra. Esta capa se forma durante el día; es más densa durante el verano y durante los ciclos de máxima actividad solar. La absorción que produce es importante, sobre todo en frecuencia inferiores a los 7 MHz,.por eso, cuando la absorción es máxima, la capa D dificulta o impide las comunicaciones a largas distancias en las bandas de 40 y 80 m.
Ella dificulta muchísimo las comunicaciones a largas distancia en la banda de 40 m pues para lograr distancias de salto importantes es necesario emplear bajos ángulos de radiación para que los rayos incidan sobre las capas reflectoras en forma casi rasante; con esos ángulos la señal debe recorrer una considerable distancia en el seno de la capa D acabando absorbida por esta por lo que llega muy debilitada a las capas reflectoras (esto explica por que emisores de gran potencia como las de broadcasting en 40 m usualmente no se escuchan en horas cercanas al mediodía local).
Cuando el Sol se pone los iones de la capa D rápidamente se recombinan (en la altura a que están situados están más cercanos entre si por la mayor presión atmosférica), así la capa D desaparece casi por completo y las señales logran alcanzar fácilmente las capas reflectoras posibilitando comunicados DX en las bandas más bajas.
En los períodos de mínima actividad solar y especialmente en invierno, la capa D se debilita lo suficiente como para permitir comunicados a considerables distancias en la banda de 40 m durante el día (como contrapartida las condiciones a corta distancia se hacen inestables o inexistentes pues se producirán zonas de silencio (skip) como luego veremos).
Las capas F1 y F2 prodigan la mayoría de los DX a largas y muy largas distancias en HF por su altura y su capacidad para refractar las señales nuevamente hacia la tierra. Para que las señales puedan aprovechar las capas F deben atravesar la absorbente D dos veces, una de ida y otra de vuelta. Al mismo tiempo las capas F deben tener densidad suficiente para reflejar las señales de la frecuencia considerada. Si se dan estas condiciones son probables comunicados a gran distancia durante el día. Así sucede sobre todo en la banda de 20 m y superiores porque la absorción de la capa D es menor en las frecuencias más elevadas del espectro de HF y las señales pueden atravesarla más fácilmente.
Es menos probable que las señales alcancen las capas F con ángulos bajos de radiación durante el día en 40 m e inferiores (lo que permitiría cubrir mayores distancias) porque si consiguen atravesar la capa D resultan reflejadas por la capa E, situada a menor altura que la F, con lo cual la señal se refleja hacia la tierra en un punto más bajo y por lo tanto la distancia del salto es menor, sin embargo las capas F son las responsables de los comunicados a distancias cortas porque la señal debe irradiarse con ángulos altos (NVIS) para reflejarse a distancias cercanas y como la frecuencia crítica de la capa E es más baja, las señales pueden atravesarla igual que a la D (absorbente)..
Variaciones regulares y predecibles de la ionosfera
Puesto que la ruptura de los átomos en iones se produce principalmente por la radiación solar se comprende fácilmente que el desarrollo y comportamiento de estas capas esté íntimamente ligado al movimiento aparente del Sol durante el día y las estaciones como a su propia actividad nuclear.
Variaciones diurnas
Originadas por la rotación de la tierra. Las porciones de la atmósfera que dan lugar a los enlaces radiales se mueven acompañando a la superficie, por ello están expuestas durante ciertas horas a la luz solar y durante la noche está en la sombra de la Tierra. Las radiaciones ultravioletas del Sol aumenta la cantidad de electrones disponibles para reflejar señales y por eso la cantidad de electrones en las diferentes regiones depende fuertemente de las horas de luz y sombra.
Efecto: Las comunicaciones en las bandas más altas de HF durante el día generalmente son más eficaces en las bandas de 14, 21 y 28 MHz durante el día, al mismo tiempo la densidad de la capa E es suficiente para reflejar todas las señales de frecuencias inferiores haciendo posible comunicados de corta y mediana distancia en la bandas inferiores. Por debajo de los 4 MHz la fuerte ionización de la capa D (la de más baja altura) impide a las ondas atravesarla porque esta capa tiene la propiedad de absorber mucha energía..
Variaciones estacionales
La radiación solar es más intensa en las zonas donde es verano y por lo tanto también en la ionosfera que se halla sobre esas regiones, haciendo que la densidad electrónica media de las capas en ellas sea superior a la del invierno.
Efecto:
Las variaciones estacionales hacen que durante el verano la mayor ionización de las capas faciliten los comunicados a grandes distancias en las frecuencia más altas del espectro de HF. En contrapartida el ruido atmosférico es mayor en verano perturbando las comunicaciones en las bandas más bajas
Variaciones mensuales (27 días)
Se producen por la rotación del Sol sobre su eje. La zona de manchas solares que se hallan sobre la superficie del mismo giran con él afectando a la ionosfera más intensamente cuando enfrentan a nuestro planeta.
Variaciones onceaniales
Debidas al ciclo de actividad solar mencionado anteriormente.
Efecto:
Durante los períodos de máxima actividad solar que se suceden cada 11 años las bandas de HF más elevadas permanecen abiertas durante muchas horas haciendo posible comunicados atractivos para el aficionado al DX perseverante o casual, la banda de 10 m ofrece extraordinarios QSO con potencias bajas y la de 6 m aperturas más frecuentes. Durante los períodos de mínima actividad las bandas más altas están abiertas pocas horas y a veces los comunicados son pobres.
Por el contrario, durante los períodos de mínima actividad generalmente se dan mejores condiciones diurnas para las comunicaciones de larga distancia en las bandas más bajas (1,8, 3,5 y 7 MHz) por a la menor ionización de la capa absorbente D.
Variaciones irregulares poco predecibles
Disturbios ionosféricos repentinos – Sudden Ionospheric Disturbance (SID)
Producidas por intensas erupciones (explosiones) solares conocidas como «fulguraciones» (flares) que suceden sin previo aviso y producen un aumento importante en la radiación que llega a la tierra, esta radiación se emite en un amplio espectro de frecuencia, desde frecuencias de RF muy bajas hasta rayos X. Sus efectos duran desde algunos minutos hasta algunas horas.
Los rayos X producen una intensa ionización en las capas inferiores de la ionosfera, sobre todo en la capa D, que aumenta muchísimo su absorbencia (mayor en las bandas de HF más bajas), dando lugar a los denominados «blackouts» o desvanecimientos totales de las señales. Pueden bloquear a tal punto las comunicaciones en HF que a menudo se tiene la sensación de que no hay estaciones operando o que el receptor falla, el nivel de ruido puede aumentar 30 o más dB durante períodos cortos.
El fenómeno se produce en el hemisferio terrestre iluminado por el Sol y afecta poco la zona en sombra, no obstante si el enlace se está realizando entre estas dos zonas naturalmente se verá afectado. Las fulguraciones producen tormentas geomagnéticas y eventos de protones (aumento en la cantidad de protones de alta energía que arriban a la tierra) que contribuyen a la persistencia de estos disturbios.
Las bandas que se recuperan más rápidamente de una fulguración son las más altas, por lo cual conviene retomar nuestra actividad primero en ellas.
Estas erupciones pueden llegar a desarrollar la potencia equivalente a un millón de bombas de hidrógeno, energía más que suficiente para proveer de energía a toda América por más de 50.000 años…
Tormentas magnéticas y ionosféricas
Es un disturbio global en el campo magnético terrestre que se refleja en la magnetosfera ocasionado fundamentalmente por un gran aumento del viento solar (consistente en chorros de partículas cargadas que arriban a la tierra entre los 15 minutos a 2 horas posteriores a una fulguración solar). La velocidad de estas partículas es tan alta como 1800 km/s con lo cual pueden llegar a la Tierra en 24 hs. La información acerca de la intensidad de las tormentas magnéticas así como su pronósticos es provista por diferentes servicios a través de los denominados «Indices Geomagnéticos (planetarios)«, que se designan con las letras Kp y Ap.
El índice Kp da un promedio de las últimas 3 horas, pudiendo variar entre 0 y 9. El índice Ap da un promedio de las últimas 24 horas y puede variar entre 0 y 400. Los números mayores representan tormentas de mayor intensidad en ambos casos. cuando el número Kp excede de 5, se comienzan a emitir alertas, indicadas con el número «G» que puede variar de 1 a 5, siendo el 5 indicador de una tormenta extremadamente severa.
Las tormentas magnéticas destruyen la estratificación normal de las capas dispersando los iones produciendo así la pérdida de su capacidad refractiva usual. Pueden aparecen zonas ionizadas aisladas e irregulares que dan lugar a condiciones de propagación inestables y erráticas con rápidas fluctuaciones del nivel de señal (flutter. También originan variaciones importantes en las frecuencias críticas y en la altura de las capas; se mantiene baja la MUF hasta que las condiciones se van normalizando. Si bien la intensidad de las tormentas suele ser mayor en los períodos de mayor actividad solar, en los períodos de actividad baja sus efectos suelen ser más severos y duraderos.
Cuando luego de una fulguración arriba el chorro de partículas a los pocos minutos u horas, pueden esperarse varios días con malas condiciones de propagación.
Recuerde: cuanto mayor es el índice A y K peores son las condiciones. Un mayor A es indica que peor han estado las condiciones, un mayor K cuan peor están ahora.
¿Reflexión o refracción?
Es común explicar el proceso por el cual la ionosfera devuelve las ondas a tierra como una «reflexión», algo similar a lo que le sucede a un rayo de luz en un espejo, o bien imaginar que las señales «rebotan» como una pelota en una pared. Un rebote o una reflexión sucede en general en un lugar bien definido, por ejemplo el espejo o la pared, sin embargo las ondas en realidad son devueltas debido al fenómeno conocido como refracción.
La refracción se produce porque las ondas de radio o luminosas se propagan a distinta velocidad en medios diferentes, a ella se debe que una varilla sumergida en agua clara se vea «quebrada». La ionosfera no es una zona con límites determinados que surge de golpe, sino que su densidad aumenta progresivamente y al ingresar a la ionosfera las ondas van encontrando un medio distinto y son curvadas hasta que por fin son devueltas a la tierra, desde el punto de vista práctico todo sucede como si fueran reflejadas en un límite preciso conocido como «altura virtual» de la capa..
Zona de silencio (skip zone)
La zona de silencio o «zona de skip» es un área alrededor del trasmisor que no es alcanzada por la onda ionosférica, la espacial o la terrestre, por lo tanto en ella no se reciben las señales del trasmisor.
A partir de cierta frecuencia, cuando la señal incide sobre la ionosfera con ángulos próximos a la vertical, la atraviesa sin reflejarse, las señales no son devueltas a la tierra y no puede establecerse contacto entre estaciones que precisen de una reflexión en tal ángulo; a medida que ese ángulo se hace más rasante, llega un punto en que la ionosfera si puede reflejar la señal hacia tierra y pueden comunicar entre si estaciones situadas entre los dos puntos que ese ángulo determina.
Supongamos que rayos más verticales que el indicado en la figura no pudieran ser reflejados, entonces la zona de skip o silencio es la que hay entre la la parte alcanzada por la onda terrestre (ground wave) de la estación emisora y el punto en que la señal arriba a la tierra reflejada por la ionosfera
Esta zona suele ser más amplia durante la noche, en invierno y durante los períodos de menor actividad solar debido a que en estas situaciones la densidad de la capa ionizada es menor, haciendo imposibles los comunicados a corta distancia sobre la banda considerada. En este caso la solución para comunicar con estaciones más cercanas es emplear frecuencias más bajas
Dibujo: Electronic Technician Vol VII
Distancia de salto (hop lenght)
Es la distancia sobre la tierra que alcanza una onda de radio luego de ser reflejada una vez en la ionosfera, la distancia de salto depende de la altura de la capa en la cual se produce la reflexión y del ángulo de incidencia de la onda sobre la misma. La máxima distancia de salto se producirá con una incidencia casi rasante para una dada altura de la capa. Por ejemplo mediante la capa F situada a una altura de unos 300 km con un ángulo de radiación vertical de la antena de unos 4 grados, la distancia de salto será de aproximadamente 3200 km; en similares condiciones, mediante la capa E (100 km) la distancia máxima será solamente de unos 1800 km. Se logran cubrir distancias mayores con varios saltos. Por ejemplo podrían cubrirse unos 6100 km con un mínimo de cuatro saltos en la capa E o dos saltos vía la capa F. Si los ángulos de radiación de las antenas fueran mayores se requerirían más saltos para lograr estas distancias.
Tabla de ángulo de disparo de la antena y distancia de salto correspondiente (los valores indicados resultan de un cálculo y deben interpretarse como aproximados). (Surge de averiguar la distancia de salto resultante de la MUF y la altura de la capa, la MUF = Fcrítica / coseno del ángulo de incidencia de la señal)
| Ang. disparo | Distancia | |
| (grados) | F2 Día (km) | F2 Noche (km) |
| 0 | 3220 | 4508 |
| 5 | 2415 | 3703 |
| 10 | 1932 | 2898 |
| 15 | 1450 | 2254 |
| 20 | 1127 | 1771 |
| 25 | 966 | 1610 |
| 30 | 725 | 1328 |
| 35 | 644 | 1127 |
| 40 | 564 | 966 |
| 45 | 443 | 805 |
| 50 | 403 | 685 |
| 69 | 258 | 443 |
| 70 | 153 | 290 |
| 80 | 80 | 145 |
| 90 | 0 | 0 |
Tabla extraída de «Field Antenna Handbook» US Navy
Si la ionosfera fuera realmente un espejo y mediante un reflector se pretendiera utilizarla para iluminar una zona en tierra haciendo reflejar en ella la luz del reflector, es fácil advertir que habrá un ángulo apropiado para lograrlo, si la luz incide más verticalmente su reflejo cae antes del punto deseado y si la incidencia fuera más rasante la luz reflejada sobrepasaría el objetivo. El haz (o los haces, pues pueden ser varios) de energía de la antena (lóbulos de radiación verticales) son más o menos anchos y por ello el ángulo no es muy crítico, pero si podemos conseguir que la porción principal de la energía arribe a la ionosfera en el mejor ángulo, eso favorecería a la comunicación.
Al ángulo vertical en que la antena irradia su máxima energía se lo suele llamar «ángulo de disparo». Si de algún modo logramos controlar ese ángulo para igualarlo al óptimo sería de gran valor. Aunque no es fácil lograr tal control en la instalación típica de un radioaficionado con antenas especialmente diseñadas para el propósito puede lograrse algo con el simple expediente de subir y bajar un dipolo mediante roldanas, pues el/los lóbulos de radiación vertical dependen fuertemente de la altura de las antenas.
En general los ángulos más bajos de radiación de la antena convendrán para comunicados a largas distancias y ángulos más elevados para los comunicados locales. El diagrama de radiación vertical depende del tipo de antena pero fundamentalmente de su altura sobre el terreno. Es un error corriente creer que en HF no es importante la altura de la antena «porque la señal rebota en la ionosfera». Por un lado cuando las antenas están bajas están sujetas a mayores pérdidas por la absorción de la tierra y otros objetos y por otro lado el lóbulo de radiación vertical más bajo (pues pueden ser varios) tiende a tener ángulos menores a medida que se eleva la antena sobre el terreno que es lo que buscamos para los comunicados a grandes distancias.
Propagación en VHF/UHF y superiores
En las frecuencias más altas del espectro la ionosfera ya no es capaz de reflejar las ondas de radio y prácticamente no existen comunicaciones por su intermedio, entonces se dice que las comunicaciones se realizan por onda directa que se mueven en líneas rectas, con lo cual el alcance queda limitado por la curvatura de la tierra a distancias que no exceden mucho el horizonte. En este caso la altura de las antenas cobra una importancia mayor porque amplía ese horizonte. Como la parte baja de la atmósfera se denomina troposfera la propagación entre estaciones sobre la superficie de la tierra se denomina por «ondas troposféricas» (la troposfera es la parte de la atmósfera que está en contacto con la superficie de la tierra y en la cual suceden los fenómenos meteorológicos comunes).
Desvanecimiento (Fading)
Cuando se reciben ondas de radio de un mismo punto, se encuentra que la intensidad de las mismas varía notablemente según la hora del día, la época del año etc, según se vio, pero es común percibir una variación mucho más rápida en la intensidad que puede producirse desde muy lentamente (minutos) hasta bastante rápidos (décimas de segundo). Estas variaciones más o menos rápidas se conocen como «desvanecimientos» y obedecen a diferentes causas, tales como:
- Que varíen las condiciones físicas del medio por el cual viajan las señales (variaciones de densidad de la atmósfera, del contenido de vapor, de iones, etc.)
- Que lleguen al receptor distintas «copias» de la señal recorriendo múltiples caminos (multipath). Las diferentes copias arriban ligeramente desfasadas haciendo que se sumen o se resten sus amplitudes (diferencias de fase). Como estos caminos están continuamente variando el efecto de atenuación o refuerzo varía con el tiempo.
- Que se produzcan reflexiones en objetos que están en movimiento provocando el efecto anterior (aviones, automóviles, etc.)
- Que el trasmisor y o el receptor estén en movimiento y los caminos de la señal estén variando con el tiempo.
- Que se atenúen algunas frecuencias mientras que otras inmediatamente cercanas no deformando las señales (desvanecimiento selectivo).
Las causas del desvanecimiento pueden ser muy numerosas, como se ve, pero en todos los casos producen un deterioro más o menos pronunciado de la calidad del enlace. Aunque pueden tomarse algunas medidas para soslayar su efecto, muchas de ellas no son fáciles de implementar en la instalación común de un radioaficionado.
FMU, MFU, FOT (en inglés MFU LFU OTF )
Estos conceptos son muy importantes cuando se intentan realizar comunicaciones ionosféricas en ondas cortas, conocerlos permitirá no solamente comprender cómo se manifestarán los efectos que se han visto, sino preverlos y aprovecharlos prácticamente. Cuando para uno la propagación está «mala», para otro las cosas están sucediendo de acuerdo a lo previsto. La diferencia puede ir desde obtener una buena clasificación en un concurso hasta saber cuál es el mejor horario par hablar con estaciones de diversas partes del mundo en diferentes estaciones, horarios o años del ciclo solar.
Recuerde lo siguiente: La Frecuencia Máxima Utilizable (MUF – Maximun Usable Frequency) siempre hace referencia al contacto con un punto determinado. Es la mayor frecuencia que se puede emplear para contactar con ese punto, si se supera esta frecuencia, simplemente la señal «perforará» o se perderá en la capa y no será devuelta a la tierra. Esto sucede en parte porque cuanto más perpendicularmente incida la señal sobre la capa más fácilmente la perforará y cuanto más rasante lo haga, más fácil será que ella pueda reflejarla. En la figura se ve que esto es lo que sucede con los rayos fa y fm. Recién el fb posee una frecuencia lo suficientemente baja para que la capa lo refleje hacia el punto deseado, pero la otra figura muestra que para un punto que precise de un ángulo del rayo algo más rasante solamente el fa perfora la capa y fm puede ser reflejada al igual que fa
A medida que la densidad de la capa disminuye es cada vez menor su capacidad para devolver la señal a tierra, por tanto a medida que se aproxima la noche se hará necesario bajar de frecuencia para poder mantener contacto con el mismo punto (circuito).
Si se analiza el problema desde otro punto de vista, por ejemplo viendo qué sucede si conservamos fija la frecuencia, puede que sella ea la máxima posible para alcanzar un punto, pero continuará siendo adecuada para puntos más distantes porque para llegar a ellos los rayos deben alcanzar la capa de manera más rasante y en esas condiciones ella será capaz de reflejarlos como se ve en la figura. Comprender esto es esencial para entender qué sucede cuando las capas pierden densidad, sea porque es de noche o el ciclo de actividad solar está cerca de sus mínimos.
Lo que puede observarse de inmediato es que la zona de salto aumenta en esas circunstancias por lo cual solo serán posibles contactos a distancias mayores si se mantiene la frecuencia, dicho de otro modo: la FMU para contactar con puntos cercano necesita ser mayor, si es menor que ese valor no se logrará el contacto a esa distancia pero si a mayores, por eso, a medida que desciende la densidad de ionización se va perdiendo capacidad de comunicar con estaciones cercanas y se impone disminuir la frecuencia de trabajo del circuito.
Queda claro que para contactar con cierto punto debe utilizarse una frecuencia igual o inferior a la FMU, pero ¿porqué no operar con una frecuencia mucho menor que la FMU y así soslayar esos inconvenientes?. Esto nos llevará a ver la denominada Mínima Frecuencia Utilizable, pero antes veamos lo siguiente:
Frecuencia crítica
A medida que aumenta la frecuencia las ondas penetran más más y más en la ionosfera hasta que finalmente perforan la capa y ella no puede reflejarla. La ionosfera puede tener densidad suficiente como para reflejar una señal que la alcance perpendicularmente. La máxima frecuencia que puede reflejar una capa cuando el rayo incide perpendicularmente a ella se llama «Frecuencia crítica de incidencia vertical» o simplemente «frecuencia crítica». Esta frecuencia puede llegar a ser tan baja como 2 MHz por la noche o tan alta como unos 15 MHz durante el día.
Conocer la frecuencia crítica de la ionosfera es importante porque la FMU para cada circuito está directamente relacionada con ella: cuanto mayor es la fc mayor es la FMU. Por debajo de la frecuencia crítica no hay distancia de salto y son posible las comunicaciones locales denominadas «NVIS» (Near Vertical Incidence Skywave)
Figura de «Field Antenna Handbook» US Navy
La frecuencia crítica se mide mediante trasmisor-receptores tipo radar que producen señales pulsantes emitidas verticalmente para que sean reflejada por la capa aumentando la frecuencia de sondeo hasta que desaparece la reflexión, esa será la «frecuencia crítica». Estos radares ionosféricos se conocen como ionosondas.
La frecuencia crítica está íntimamente asociada con la FMU porque la FMU mantiene una relación de carácter geométrico relativamente sencilla con la crítica (para un modelo de ionosfera y tierra supuestos planos tan simple como: FMU = fc/ seno fo (siendo fo el ángulo de incidencia de la señal obre la capa).
Empleando frecuencias menores que la crítica se pueden alcanzar -en principio- todos los puntos geométricamente posibles con esa capa, sin zona de skip.
Altura virtual de la capa
Si al averiguar la frecuencia crítica se mide tiempo de ida y vuelta de la señal puede establecerse la altura a la cuál estaría una capa imaginaria que produjera una reflexión semejante a la producida por el efecto de refracción. Esa altura imaginaria se llama «altura virtual». Aunque la señal sufre un proceso diferente el efecto final es muy similar al que existiría si la señal fuera verdaderamente reflejada en esa capa ficticia.
Mínima Frecuencia Utilizable y Frecuencia Optima de Trabajo.
A primera vista parecería que utilizando frecuencias menores que la máxima utilizable, o mejor, menores que la crítica se resolverían todas estas situaciones; desafortunadamente no es así. Es probable que debajo de la capa que se está tratando de aprovechar (por su mayor altura) exista otra que también tiene capacidad para refractar señales, o bien que absorban las señales de frecuencias más bajas (por ejemplo la capa D) impidiéndoles llegar a una capa superior capaz de producir saltos a mayor distancia, entonces, para cubrir cierta distancia quizás se precisen varias reflexiones sucesivas entre la ionosfera y la tierra para llegar a un punto, en eesas sucesivas reflexiones la señal puede atenuarse tanto como para no llegar con un valor adecuado al receptor.
Sucede que partir de la MUF hacia abajo se produce por la absorción un deterioro progresivo en la intensidad de señales hasta que finalmente quedan enmascaradas totalmente en el ruido atmosférico.
La menor frecuencia a la que es posible realizar el contacto se denomina «Mínima Frecuencia Utilizable» (LUF – Lowest Usable Frequency) y resulta de la atenuación que se produce a frecuencias más bajas, por eso, mientras la FMU establece un límite inevitable, la LUF puede soslayarse en parte utilizando mayor potencia para conseguir que llegue al receptor señal suficiente a pesar de la atenuación, esto no siempre será posible, tanto por limitaciones técnicas como en nuestro caso por las reglamentarios.
Es importante destacar que las señales más intensas habitualmente se logran cuando el enlace se realiza utilizando frecuencias levemente más bajas que la FMU (MUF), Una frecuencia situada aproximadamente un 15 % por debajo de la FMU se la denomina Frecuencia Optima de Trabajo (FOT – Frequency od Optimun Transmission), porque provee una señal intensa y estable…
NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) – Onda celeste de incidencia casi vertical
Este modo de propagación se presenta cuando una señal que arriba a la ionosfera con un ángulo de incidencia cercano a la vertical, es reflejada por ella con intensidad suficiente como para proveer comunicaciones útiles. Como se muestra en la figura este modo permite sortear obstáculos elevados tales como montañas o cerros. Es un modo típicamente local. Para ser posible requiere que la frecuencia crítica de la capa sea mayor que la de operación, pues de lo contrario la señal la atravesará sin ser reflejada. Con este modo conviene emplear antenas cuyo diagrama de radiación concentre la mayor energía posible en ángulos elevados (lo contrario a lo que se busca para comunicaciones de larga distancia). En este sentido darán buenos resultados los dipolos a baja altura (un cuarto de onda o menos), o dipolos con un reflector parásito instalado debajo del mismo.
Si usted está interesado en mantener buenos contactos locales en la banda de 80 o 160 m (y con reservas en la de 40 m) puede instalar una antena que aproveche esta posibilidad o recurrir a disminuir la altura un dipolo extendido normal mediante roldanas, si fuera necesario.
Figura de «Field Antenna Handbook» US Navy
Efecto Doppler
Quien haya oído el silbato de una locomotora o la bocina de un automóvil que se acerca, pasa frente a nosotros y se aleja nuevamente rápidamente, habrá advertido que la frecuencia del sonido disminuye bruscamente cuando el vehículo pasa por delante y comienza a alejarse. Si el vehículo estuviera detenido, se notaría que la frecuencia del sonido en reposo posee valor intermedio entre esos dos. Efectivamente, cuando la fuente de sonido se acerca, su frecuencia es mayor, y a la inversa. No se trata de una ilusión, sino de un fenómeno físico real que también se manifiesta con las ondas electromagnéticas. Así, cuando una fuente de ondas de radio se está acercando su frecuencia es mayor y viceversa. Este fenómeno se conoce como «Efecto Doppler» en honor del Físico y matemático austríaco Christian Andreas Doppler. Gracias a este efecto se propuso la hipótesis del universo en expansión y el «Big Bang», pues creemos que las galaxias lejanas se alejan de nosotros tan rápidamente que la frecuencia de la luz disminuye haciendo que todo su espectro se corra hacia el rojo.
El efecto Doppler es muy notable cuando se emplean satélites artificiales de aficionados de órbita baja, pues su velocidad relativa es muy alta y en un receptor eso se convierte en un corrimiento de frecuencia muy notable (algunos kHz) que obliga a resintonizar el equipo y causa problemas con los sistemas de datos sensible a la frecuencia.
Cambios de polarización en la reflexión ionosférica.
En su viaje a través de la ionosfera las señales de radio que partieron de la antena con una determinada polarización sufren cambios importantes en la dirección y/o tipo de polarización. El campo magnético de la Tierra hace que la ionosfera sea un medio que no presenta las mismas propiedades en distintas direcciones (anisotropía). La señal original se subdivide en dos ondas (denominadas onda ordinaria y onda extraordinaria fenómeno conocido como «birefringencia») de diferente polarización las que tienen constantes de propagación diferentes por lo que al salir de la ionosfera lo hacen en ligeramente diferentes direcciones y se recombinan de tal manera que la polarización original resulta cambiada, dando lugar a desvanecimientos de la señal recibida. Para los efectos prácticos podemos decir que la polarización no se conserva en las comunicaciones ionosféricas y por lo tanto en ese aspecto la polarización propia de las antenas empleadas no interesa, aunque continúe siendo relevante en otros asuntos relacionados con ella (ángulos de radiación, absorción en tierra, etc). En general también la polarización deja de ser lineal en su tránsito por la ionosfera para convertirse en elíptica (la polarización circular es un caso particular de la elíptica).
Rotación de Faraday
Cuando las señales tienen suficiente frecuencia como para atravesar la ionosfera, también sufren cambios en su polarización por efecto del campo magnético de la tierra, aún en frecuencias muy elevadas. Este fenómeno es importante en las comunicaciones de VHF y UHF con satélites artificiales o en rebote lunar lo que hace aconsejable el empleo de antenas de polarización circular o doble polarización. Si no se emplean antenas de polarización circular, el desvanecimiento por desalineación puede durar algunos minutos. No debe confundirse la rotación de Faraday en la que se conserva la polarización lineal aunque esta vaya cambiando con el tiempo, con la polarización elíptica donde ella rota a la velocidad de la frecuencia de la onda
Sistemas «diversity»
Diversity de frecuencia
El problema del desvanecimiento de las señales puede resolverse parcialmente aprovechando el hecho de que la señal no se desvanece igualmente en distintas frecuencias aunque estas se hallen bastantes próximas (lo que produce lo que los aficionados llaman coloquialmente «QSB deformante» en radiotelefonía) y con más razón cuando se encuentran más alejadas. Esta propiedad se aprovecha en los sistemas de radioteletipo y similares, mediante la manipulación por desplazamiento de frecuencia FSK, como se describe en el capítulo correspondiente, lo cual puede verse claramente con los populares programas de PC que muestran el nivel de las señales de marca y espacio en diferentes formatos visuales.
También están menos sujetas al desvanecimiento aquellas trasmisiones que emplean mayor ancho de banda para transportar la información como los sistemas de FM, aunque estos demandan anchos de banda poco aceptables en HF.
Diversity por diferencia de situación geográfica
Otra forma de diversity resulta del hecho de que la señal no se desvanece igualmente en ubicaciones separadas entre si alguna longitudes de onda. Empleando más de una antena para recepción se puede sacar provecho de esta peculiaridad. Se aplica la señal de cada antena a varios receptores sintonizados a la misma frecuencia y la salida de los detectores se combina de manera tal que aquella que tiene mayor intensidad se emplea para controlar la ganancia de todos ellos, con lo cual la que alcanza el parlante siempre proviene de aquel que recibe con mayor intensidad.
Diversity inteligente
El abaratamiento de la tecnología de computación permite desarrollar sistemas aun más perfeccionados controlados por sistemas con mayor inteligencia. Con estos métodos es posible controlar la directividad vertical y horizontal de los sistemas de antena al mismo tiempo que se aprovechan posibilidades como las mencionadas en los dos puntos anteriores. aunque estas técnicas no son usuales en la actividad del radioaficionado normal es ilustrativo mencionar estas técnicas ingeniosas para alcanzar una recepción más perfecta en HF.
Notas adicionales
Los fenómenos que afectan y dan lugar a la propagación ionosférica son variados y complejos, la imagen que de ella se forma el aficionado medio en estas latitudes suele ser demasiado simple para ser de buena utilidad para evaluar o comprender las condiciones que le acontecen en el día a día. dando lugar a conceptos bastante equívocos, usualmente se asume una ionosfera plana, horizontal, uniforme, estacionaria, simplemente estratificada en capas homogéneas, isótropa (mismas propiedades en diferentes direcciones), pero ninguna de estas cosas son reales, principalmente porque la tierra tiene un poderoso campo magnético que también es muy afectado por el sol a través de el viento solar y las partículas cargadas. Además este gran imán no solamente no coincide con los polos geográficos sino que sus líneas de fuerza no circulan de uno al otro como las geográfica formando círculos máximos, sino que se desvían en diferentes regiones (declinación magnética).
Tampoco el campo magnético es horizontal y por eso las ionosfera no se comporta sencillamente como un medio horizontal (inclinación ionosférica) tal como se la suele visualizar en los tratados elementales. Todos esto hace que la ionosfera se rasgue, arrugue, deforme, abulte, pliegue dinámicamente, dando lugar a condiciones frecuentemente muy localizadas o anómalas. Tampoco permanece tranquila como un estanque, una ionosonda doppler mostrará que como las olas del océano ella puede subir o bajar a grandes velocidades (sobre todo hacia la salida y la puesta del sol)
Todo esto hace que por un lado sea asombroso cuántas predicciones se puedan llegar a hacer, pero al mismo tiempo debe hacerlos reflexionar que llegar a comprender su carácter precise de bastante más que un poco de evidencia anecdótica provista por la memoria (o la s falsas memorias) o reglas buenas pero extremadamente simplificadas como las relacionadas directamente con las cantidad de manchas, etc.
Condiciones de propagación típicas en las diferentes bandas de aficionados
160 m
Situada apenas arriba de la porción asignada a las emisoras de broadcasting de AM en ondas medias, es la única banda de aficionados que comparte características de propagación similares a las de estas emisoras, sobre todo muy buen alcance sin distancia de salto por onda superficial, siempre y cuando se utilicen antenas con polarización vertical, pues las ondas de superficie horizontales son rápidamente absorbidas por la tierra.
Aunque las condiciones de propagación en esta banda son muy interesantes, la altura de las antenas horizontales (en términos de longitud de onda) que pueden utilizar los aficionados suele ser muy exigua por lo cual la energía irradiada en los ángulos bajos que harían posible comunicados a mayores distancias es pobre, por ello no se recomiendan dipolos horizontales (ni antenas en V invertida), sino antenas verticales (cargadas, si es necesario, con bobinas y sombreros capacitivos) o en «L» invertida.
Durante el día la intensa ionización de la capa D hace prácticamente imposible que las señales puedan atravesarla, aún con incidencia prácticamente vertical, por lo cual no son posibles comunicados vía capa E o F2.
La operación en DX se ve favorecida en los ciclos de mínima actividad solar porque la capa D se debilita más rápidamente al atardecer, aunque se mantiene cierta absorción remanente de la capa E por rayos cósmicos, rayos X de origen galáctico y dispersión de la radiación solar en la corona terrestre. También por similares razones, los atardeceres de invierno ofrecen buenas chances de lograr distancia. También durante los períodos de menor actividad solar las condiciones se favorecen porque hay menos actividad geomagnéticas.
La capa D puede llegar a debilitarse al punto que puede ser atravesada (aunque con gran atenuación), en invierno, con poca actividad solar en altas latitudes permitiendo la refracción por la capa E.
El alcance diurno con ondas de superficie se sitúa en el orden de los 150 a 200 km.
Luego de la puesta del sol, cuando se ha disipado gran parte de la capa D, la propagación por onda ionosférica permite comunicados a distancias que típicamente alcanzan varios cientos de km en verano y varios miles durante el invierno. La capa E es importante para la propagación nocturna.
La recepción es perturbada por ruidos estáticos ocasionados por las tormentas y la actividad convectiva de la atmósfera, particularmente en verano y en bajas latitudes. Los ruidos de origen artificial también tienen mayor intensidad porque los aparatos que los producen suelen generar más energía en frecuencias bajas.
80 m
La propagación por ondas superficiales proporciona buenos comunicados locales durante el día y la noche, aunque al igual que en 160 m ella es posible sobre todo si se emplea polarización vertical, también se logra reducir el fading local característico producido por la llegada simultánea de la onda con la reflejada en la ionosfera, pues las antenas verticales suelen emitir poca energía en ángulos de radiación elevados que son los que producen los reflejos hacia las zonas cercanas.
Comparte características con la banda de 160 m, pero tiene ventajas sobre ella con propagación por onda ionosférica (celeste) y son más frecuentes los contactos a varios miles de km pues atraviesa mejor la capa D. También es una banda que otorga sus mejores resultados para DX en los períodos de mínima actividad solar y en invierno. Durante el verano el ruido atmosférico es más alto y la absorción de la capa D es más importante. Durante el día pueden esperarse buenos comunicados por onda de superficie y/o ionosférica sobre distancias que fácilmente alcanzan los 400 km, lográndose mayores distancia en invierno y con poca actividad solar.
40 m
Es una de las favoritas y clásicas bandas para QSO local y DX. Durante el día, durante períodos de actividad solar media a alta o verano, proporciona condiciones favorables a corta distancia sin zona de salto porque la frecuencia crítica se sitúa por encima de los 7 MHz, no obstante la alta densidad de la capa D (absorbente) debilita fuertemente las señales de ángulos bajos necesarias para lograr distancia. En estas condiciones son normales contactos sobre distancias de 0 a los 400 a 500 km pudiendo alcanzar fácilmente los 600 a 800.
Durante el invierno estos rangos se amplían a casi el doble, aunque puede aparecer una amplia zona de silencio debido a la disminución de la frecuencia crítica.
Hacia el final del día y por la noche, cuando se desvanece totalmente la capa absorbente D (que afecta principalmente a las señales de ángulos de radiación bajos favorables para el DX) son usuales contactos que superan los 1500 km. El mundo es una posibilidad bien tangible en esta banda.
Durante los períodos de baja actividad solar se logran comunicados intercontinentales muy frecuentes sobre el atardecer (aunque la mejora no es tan notable como en 160 u 80 m), pero al mismo tiempo se reduce la posibilidad de realizar contactos confiables a corta distancia porque la frecuencia crítica disminuye por debajo de los 7 MHz, sobre todo en invierno, dando lugar a amplias zonas de silencio («skip»). En estas condiciones, la densidad de la capa F2 no alcanza a ser suficiente para devolver las señales de corta distancia que se basan en señales con incidencia cercana a la vertical.
La comunicación por ondas superficiales prácticamente no es viable pues el campo se atenúa muy rápidamente pero ya pueden lograrse fácilmente antenas con ángulos de disparo razonablemente bajos para DX situándolas a alturas del orden de 1/2 onda o más.
El ruido estático en esta banda es lo suficientemente bajo como para proporcionar comunicados confortables la mayor parte del tiempo, aún durante el verano.
30 m
Esta es realmente una banda muy interesante por sus características de propagación de transición. Si contara con espacio suficiente para permitir QSO en los modos más populares sería sin duda una favorita por lejos. Actualmente los comunicados están limitados a CW y modos digitales.
Durante el día se logran fácilmente distancias que superan los 1.500 km pues, aunque la absorción de la capa D hace sentir sus efectos las señales tienen energía suficiente para perforarla y reflejarse en la capa F1 o F2. Durante la noche las capas F fusionadas casi siempre tienen densidad suficiente para proveer buenos enlaces con la mayor parte del globo.
Propagación por onda terrestre a partir de las bandas siguientes:
A partir de los 20 m (y mejorando a medida que se aumenta la frecuencia) comienzan a ser prácticas las comunicaciones por ondas terrestres (no confundir con ondas de superficie). La alturas, en términos de longitudes de onda, a las que suelen montarse las antenas ya proporcionan suficiente intensidad de campo en ángulos bajos como para utilizarlas para comunicados locales por onda espacial. En estas condiciones se obtendrán mejores resultados con antenas de polarización vertical por la menor absorción que sufren las ondas polarizadas verticalmente por parte del terreno.
20 m
Probablemente la banda para DX más popular. Durante el día es una banda que proporciona comunicados confiables a distancias desde varios centenares hasta unos miles de km. Durante el atardecer se abre y las condiciones hacen posibles comunicados a todas partes del mundo. Las comunicaciones normales se realizan únicamente por ondas celestes (ionosféricas), pero se consiguen buenos comunicados locales mediante ondas terrestres (no de superficie) sobre todo si la antena se encuentra algo elevada. Esta banda proporciona mejores resultados durante los períodos de mayor actividad solar, durante los cuales a menudo es una banda que permanece abierta para larga distancia durante casi todo el día y la noche. Aún durante los períodos de menor actividad solar pueden esperarse frecuentes aperturas para comunicados de larga distancia durante algunas pocas horas.
Debido a que la frecuencia crítica suele estar debajo de los 14 MHz en esta banda siempre hay una zona de silencio que comienza más allá del alcance proporcionado por la incipiente onda terrestre y alcanza a la distancia mínima de salto.
Aunque la capa E también proporciona comunicación es difícil advertir cuando ella es la responsable del comunicado, pero a menudo permite comunicaciones a distancias intermedias.
Los ángulos de radiación vertical más favorables para DX vía F2, están en el orden de los 3 a los 30 grados, pero los ángulos superiores a 15 grados son principalmente útiles para comunicados a distancias intermedias (Orr, 1959)
17 m
La diferencia de frecuencia con la banda de 20 m le da un comportamiento intermedio entre las bandas de 20 y 15 m.
15 m
La banda de 15 m comparte muchas de las características de la banda de 20 m, pero depende más de los ciclos actividad solar, ofreciendo mejores aperturas durante los períodos en que dicha actividad esta cerca de sus máximos convirtiéndose en una de las favoritas para DX intercontinentales. Las mejores condiciones se obtienen en los períodos de mayor actividad solar y durante el día, pero, debido a que hay muchos iones que no alcanzan a recombinarse permanece abierta durante la noche, hasta la salida del sol, donde nuevamente comienza el proceso de ionización. Durante los períodos de actividad solar mínima, puede permanecer cerrada durante todo el día, excepto limitadas aperturas. Con actividad solar intermedia es una banda diurna que ofrece muchas posibilidades
12 m y 10 m
Estas bandas son muy similares en su comportamiento. Para las comunicaciones a gran distancia dependen fuertemente de la actividad solar y se abren para comunicados a todo el mundo cuando dicha actividad alcanza sus máximos. La propagación mediante las capas F en estas bandas es excelente por la baja absorción de la capa D a estas frecuencias y el bajo ruido natural. Cuando los contactos se realizan debajo pero cerca de la MUF, las señales son muy intensas aún con muy bajas potencias lo cual permite sacar el máximo provecho a los equipos QRP. Cuando la actividad solar es alta está abierta durante el día hasta ya avanzado el atardecer. Durante la noche las capa F1 y F2 se fusionan manteniendo suficiente ionización para proveer comunicaciones a largas distancias. Las excelentes características de esta parte del espectro en sus períodos favorables han contribuido a la popularización de la actividad radial como hobby en la banda ciudadana situada en los 11m.
Al igual que en 6 m, Suelen producirse aperturas a varios centenares de km por capa E esporádica, difíciles de distinguir en los periodos de máxima actividad solar pero más patentes durante los mínimos.
Los ángulos de radiación vertical más favorables para DX vía F2, están en el orden de los 3 a los 18 grados, pero los ángulos superiores a 12 grados son principalmente útiles para comunicados a distancias intermedias (menos de 5000 km) (Orr, 1959)
6 m
La banda de 6 m siempre ha sido una de las favoritas en los sueños de los aficionados de todo el mundo, aunque no son tantos quienes lo plasman en hechos. Es una banda cuyas hazañas son de leyenda. Comparte características tanto típicas de VHF, tales como muy buena posibilidad de contacto por onda terrestre con alturas de antena moderadas así como la posibilidad de aprovechar aperturas de propagación por onda ionosférica así como fenómenos de capa E esporádica, lluvias meteóricas e incipientes fenómenos de dispersión troposférica.
La propagación por medio de la capa F se da principalmente en los períodos de máxima actividad solar donde la frecuencia crítica puede alcanzar valores muy altos.
Las aperturas producidas por la capa E esporádica, ofrecen posibilidades para distancias que fácilmente pueden llegar a superar los 2.000 km. La capa E esporádica a menudo tiene superficie suficiente para hacer posibles comunicados intercontinentales por saltos múltiples y, debido a su naturaleza aleatoria, hace las delicias de aquellos que mantienen escucha durantes horas a lo largo de días, a la espera de uno de estos acontecimientos.
2 m
Dos metros es una de las bandas más populares de radioaficionados en todo el mundo. En ella las propagación por ondas ionosféricas es prácticamente nula, pero indudablemente sus excelentes condiciones para QSO por onda terrestre (espacial) la han convertido en una de las favoritas.
Aunque se han reportados comunicados por capa E esporádica son raros en comparación con la de 6 m.
La dispersión troposférica ya comienza a jugar un rol importante en esta banda.
En épocas de estivales, el amanecer y el atardecer nos sorprende a menudo con aperturas a distancias que superan los 700 o 1000 km. La alegada presencia de «conductos» hace posible contactos que alcanzan y superan los 2000 km.
Una estación montada con esmero puede esperar contactos confiables a distancias que exceden los 200 km y fácilmente superan los 400 o 500. especialmente en BLU, con antenas direccionales y razonable altura.
1,5 m
Es muy similar a la banda de 2 m en sus condiciones y no abundaremos en detalles sobre ella.
70 cm
En esta banda, para todos los fines prácticos, puede considerarse que no hay propagación ionosférica.
En la práctica las distancias obtenibles resultan inferiores a las que ofrece la banda de 2 m en igualdad de condiciones debido a la menor capacidad de sustraer energía del frente de onda que poseen las antenas comunes a medida que se aumenta la frecuencia (aunque en 144 MHz, en las ciudades, el ruido de origen artificial, la desensibilización y la presencia de un ruido de fondo espurio resultante de la enorme concentración de emisoras hace que esta afirmación deba ser tomada con cautela). Aún así con una estación bien montada puede obtenerse resultados adecuados hasta distancias que superan los 350 km.
23 cm y superiores
En estas frecuencias las condiciones de propagación comienzan a presentar características típicas de las que rigen el espectro de microondas. En los contactos punto a punto deben considerarse los efectos de las denominadas «zonas de Fresnel» que están relacionadas con procesos de difracción que exceden el marco de este apunte (que, aunque están presentes en las demás bandas, no hay posibilidad de controlar en las instalaciones usuales).
Dejamos para la inquietud del aficionado más curioso la tarea de incorporar conocimientos adicionales.
Bibliografía consultada en este capítulo
Terman Frederick E., Manual del Radio Ingeniero, Editorial HASA. Bs. As. 1947
Antenas y propagación. Reglamento de ejercicios para las tropas de comunicaciones. Cuarto tomo, quinta parte. Instituto Geográfico Militar, Ejército Argentino, 1952,
The Radio Amateur Handbook, ARRL Press,. 2003.
Casado, Emilio, Castañs, Valentín, Radiogoniometría, Editorial Labor, España, 1951.
Helms, Harry (AA6FW), All About Ham Radio, High Text Publications, Inc.
Antennas and wave propagation Vol 7, Naval education and training, US Navy.
Introduction to HF Radio Propagation, IPS Radio & Space Services.
Ladner, A.W., Stoner, C.R., Short wave wireless communicaction, John Wiley & Sons, New York, 1943
Bond, Donald S., Radio direction finders, Mc Graw-Hill, 1944
National Geophysical Data Center.(NOAA).