2. Propiedades de la onda electromagnética

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Manual
de clases
Última modificación:
21 de octubre de
2020
PROPIEDADES DE LA ONDA
ELECTROMAGNÉTICA
Objetivo
Describir la
naturaleza y el
comportamiento de
las ondas de radio
y los mecanismos
de propagación en
el espacio libre.
Edison Coimbra G.
SISTEMAS DE RF
Tema 2 de:
www.upsa.edu.bo

1.- PROPIEDADES DE LA ONDA DE RADIO
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PROPIEDADES DE LA ONDA ELECTROMAGNÉTICA
Campo de radiación lejano
Propiedades de la onda de radiowww.upsa.edu.bo
 El análisis de radiación de una antena se efectúa en la región de campo lejano (a varias
longitudes de onda de distancia). En general, un receptor está a mayor distancia.
 La onda radiada se expande en forma de onda esférica. Los frentes de onda son esferas centradas en el centro
de la antena y la amplitud y fase dependen de la distancia a la antena, que es el radio de la esfera.
 Una de las propiedades que caracteriza a la onda plana es que los campos son modo TEM, es
decir que el campo E, el H y la dirección de propagación, son perpendiculares entre sí.
 Para un observador en campo lejano, el frente de onda de la onda esférica
parece ser casi plana, como si fuese una onda plana uniforme.
(Kraus, 2000)

Propiedades de la onda de radio
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Impedancia característica del espacio libre
 Ley de Ohm para circuitos. Es la relación entre el voltaje y la corriente en
circuitos que usan constantes concentradas (Ley de Ohm para circuitos).
 Ley de Ohm para ondas. Se expresa como la relación entre las intensidades
de los campos E y H de la onda electromagnética que se propaga por el
espacio libre.
 Las unidades de los campos se expresa en V/m y A/m respectivamente,
por lo que esta relación recibe el nombre de impedancia característica
del espacio libre y se expresa en .
 Es una relación constante en cualquier tiempo y
espacio. Su valor (377 ), se obtiene de una
combinación de valores de cantidades de origen
eléctrico y magnético.
(Blake, 2004)
𝑅 =
𝑉
𝐼
R= resistencia, en .
V = voltaje, en V.
I = corriente, en A.
𝑍0 =
E
H
Z0 = impedancia característica, en .
E = campo eléctrico, en V/m.
H = campo magnético, en A/m.
H = 265 mA/m
 Ejemplo 1. Intensidad de campo. Una onda tiene una intensidad de campo
eléctrico de 100 V/m en el aire. Calcule la intensidad de campo magnético.
𝑍0 =
E
H
=
0
0
= 377 
Z0 = impedancia característica, en .
0 = 4  10⎻7 H/m. Permeabilidad magnética.
0 = 8,854  10⎻12 F/m. Permitividad dieléctrica.

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Densidad de potencia de la onda
 Potencia para circuitos. Es la ecuación de la potencia en circuitos que usan
constantes concentradas.
 Para ondas se define la densidad de potencia (S), que se
expresa como el producto escalar entre las intensidades de
los campos E y H de la onda electromagnética que se propaga
por el espacio libre.
 Las unidades de los campos se expresa en V/m y A/m respectivamente,
por lo que la densidad de potencia se expresa en W/m2.
 En términos físicos, la densidad de potencia en el espacio es la cantidad de potencia que
fluye por cada m2 de una superficie perpendicular a la dirección de propagación.
 El producto vectorial de los campo E y H corresponde al módulo del Vector de
Poynting, que en condiciones de campo lejano apunta siempre en la dirección de
propagación. E y H son ortogonales, por tanto, el producto vectorial es igual que el
escalar.
(Blake, 2004)
𝑃 = 𝑉𝐼 = 𝐼2 𝑅 =
𝑉2
𝑅
P = potencia, en W.
V = voltaje, en V.
I = corriente, en A.
R= resistencia, en .
S = EH = H2 𝑍0 =
E2
𝑍0
S= densidad de potencia, en W/m2.
E = campo eléctrico, en V/m.
H = campo magnético, en A/m.
Z0 = impedancia característica, en 
𝐒 = 𝐄  𝐇
 Ejemplo 2. Intensidad de campo. Una onda tiene una densidad de potencia de 50
mW/m2 en el espacio libre. Calcule sus intensidades de campo E y H.
E = 4,34 V/m
H = 11,52 mA/m
 Ejemplo 3. Intensidad de campo. Calcule la densidad de potencia que se requiere
para producir una intensidad de campo E de 100 V/m en el aire. S = 26,5 W/m2.

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Polarización lineal de la onda
 En la tecnología inalámbrica, polarización se refiere a la orientación de los campos E
y H con respecto a la Tierra. Si la dirección del campo E no varía, la polarización es
lineal; y puede ser vertical u horizontal.
 Vertical. Si E es perpendicular a la Tierra, la onda está polarizada de modo
vertical. Una antena vertical produce polarización vertical.
(Blake, 2004)
 Horizontal. Si E es paralelo a la Tierra, la onda está polarizada de modo
horizontal. Una antena horizontal produce polarización horizontal.
Vertical
 Ejemplo 4. Polarización lineal. Una onda de radio se
propaga de tal manera que su campo magnético es
paralelo con el horizonte. ¿Cuál es su polarización?
 Ejemplo 5. Polarización lineal. Si se utilizan antenas
transmisoras que radian ondas con polarización vertical u
horizontal, entonces, para una óptima recepción, las
antenas receptoras debe tener la misma polarización que
la onda. ¿Qué solución se adopta para la recepción de
señales de TV?
Las estaciones de TV
radian ondas con
polarización vertical
y horizontal.

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Polarización circular y elíptica
 A veces el eje de polarización gira a medida que la onda se
mueve por el espacio. Gira 360º por cada  de recorrido.
Esta polarización puede ser circular o elíptica y se puede
conseguir, por ejemplo, con juna antena helicoidal.
 Circular. Es circular si la intensidad del campo E es igual en todos los ángulos.
La polarización puede ser de mano derecha (RHCP) o izquierda (LHCP).
(Blake, 2004)
 Elíptica. Es elíptica si la intensidad del campo E varía conforme cambia la
polarización. Es una variante de la polarización circular.
 Las ondas con polarización circular se reciben bien con antenas con
polarización vertical, horizontal o circular. La radiodifusión comercial
FM utiliza polarización circular.

2. PROPIEDADES ÓPTICAS DE LA ONDA DE RADIO
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Mecanismo de propagación de la onda
Propiedades ópticas de la onda de radiowww.upsa.edu.bo
 1. El Principio de Huygens es un principio importante para entender el mecanismo
de propagación de la onda de radio esférica que es radiada al espacio libre por un
radiador o antena al que se denomina Foco primario.
 3. El Principio de Huygens establece que todo punto de un frente de onda
actúa como foco secundario de ondas esféricas.
 4. La superposición de las ondas esféricas producidas por los focos secundarios
conforman un nuevo frente de onda.
(APC, 2007)
 5. El nuevo frente de onda es la superficie que contiene a los nuevos
focos secundarios, y así sucesivamente.
 2. Cuando la onda se propaga, aparecen unos puntos que toman parte en el
movimiento. La superficie que los contiene es un frente de onda.
 6. Un frente de onda no perturbado viaja como una sola pieza.

Propiedades ópticas de la onda de radio
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¿Qué sucede con la onda cuando viaja?
 La onda de radio es idéntica a la de luz, excepto por la frecuencia, y se comporta de forma similar en
cuanto a sus propiedades. Su menor frecuencia (longitud de onda más larga) repercute en situaciones
prácticas.
 3. Refracción. Se desvía de su trayectoria cuando pasa de un medio a
otro de diferente densidad; cambiando de velocidad.
 1. Absorción. Transfiere energía al medio cuando viaja.
 2. Reflexión. Se refleja en metales, superficie del agua y desde el
suelo; con el mismo ángulo con el que impacta la superficie.
 4. Difracción. Se esparce en todas direcciones cuando encuentra un obstáculo en
su trayectoria, rellenando la zona de sombra o penetrando por un agujero.
 5. Interferencia. Si se interfiere con otra onda de la misma frecuencia, se amplifica
o se anula, dependiendo de la relación de fase o posición relativa entre ellas.
(Blake, 2004)

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Absorción
 La onda transfiere energía al medio cuando viaja, lo que se traduce en una atenuación de su energía. Para
las microondas, el metal y el agua son absorbentes perfectos; son a las microondas lo que una pared de
ladrillo es a la luz.
(APC, 2007)
 En el metal, los electrones se mueven libremente y absorben la energía de la onda que lo atraviesa.
 En el agua, las microondas provocan que las moléculas de agua se agiten y absorban energía. La lluvia
y la niebla causan, además, que la onda se disperse lo que resulta en más atenuación. Un cambio en el
clima afecta a una comunicación por radio.
 En rocas, ladrillos, concreto, árboles y madera, el nivel de absorción depende de cuánta agua contienen.
La madera seca es transparente. Los árboles causan de 10 a 20 dB de pérdida por cada uno que esté en el
camino directo de la onda; las paredes causan de 10 a 15 dB.
 Los plásticos no absorben energía de radio, aunque depende de la constitución del plástico.
  El cuerpo humano y el de los animales es un absorbente prominente porque está compuesto
mayormente de agua.

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Reflexión
 La onda se refleja en metales, superficie del agua y desde el suelo; con el mismo
ángulo con el que impacta la superficie. Para la onda de radio, una rejilla metálica con
separaciones menores que la longitud de onda, actúa como una placa de metal.
 La reflexión invierte la polaridad, lo cual equivale a un desfase de 180º o al cambio
de dirección del campo E del frente de onda. Es como un salto de la onda.
 Las superficies reflectoras no siempre son uniformes. Las ondas, a menudo, se
reflejan desde el suelo, produciendo una reflexión difusa, es decir la dispersión de la
onda reflejada.
 En ambientes internos o en exteriores, abundan objetos de metal de formas
variadas y complicadas que producen el efecto multitrayectoria: la onda llega
al receptor por diferentes caminos y, por consiguiente, en tiempos diferentes
causando el desvanecimiento parcial de la onda recibida.
(Frenzel, 2003)
 La reflexión se utiliza en las antenas parabólicas.

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Refracción
 La onda se desvía de su trayectoria cuando pasa de un medio a otro de diferente densidad porque cambia su velocidad.
(Blake, 2004)
 La densidad del aire disminuye con la altura, debido a que
disminuye la presión, la temperatura y la humedad. Esto produce
que las capas de la atmosfera tengan diferentes densidades,
ocasionando que la onda aumente su velocidad con la altura y se
refracte, se “doble” hacia la Tierra.
 En noches despejadas se presenta el fenómeno de la inversión
térmica: el suelo se enfría por radiación y enfría al aire en
contacto con él, que se vuelve más frío y pesado que el que está
en capas superiores. El resultado es que la energía transmitida,
por ejemplo por un radar, se extiende a una distancia mayor que
su rango normal.
 Los cambios en las condiciones atmosféricas también producen
cambios en la velocidad de la onda.

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Difracción
 La onda se esparce en todas direcciones cuando encuentra un obstáculo en
su trayectoria, rellenando la zona de sombra o penetrando por un agujero. El
efecto se describe suponiendo que cada punto en un frente de onda actúa
como un foco secundario de ondas esféricas.
(Blake, 2004)
 Se aprovecha el efecto de la difracción para rodear obstáculos. Esto
implica que la onda puede “dar la vuelta” en una esquina.
 La difracción es mayor cuando el obstáculo tiene un borde afilado, es decir
sus dimensiones son pequeñas comparadas con la longitud de onda, o
cuando el tamaño del agujero es parecido a la longitud de onda. Por esta
razón una estación AM que opera a 1000 kHz ( = 300 m) se oye fácilmente
aún cuando hayan considerables obstáculos en su trayecto.
 La potencia de la onda difractada es significativamente menor que
la del frente onda que la produce.

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Interferencia
 La onda Si se interfiere con otra onda de la misma frecuencia, se amplifica o se
anula, dependiendo de la relación de fase o posición relativa entre ellas.
 Para que ocurra la máxima amplificación o completa anulación, las ondas deben
tener la misma longitud de onda y energía y una relación de fase específica y
constante.
 En tecnología inalámbrica, la interferencia tiene un significado más amplio, como
la perturbación debido a otras emisiones de radio frecuencia, por ejemplo canales
adyacentes. El caso más común es que las ondas se combinen y generen una
nueva onda que no pueda ser utilizada en la comunicación.
 Las técnicas de modulación ayudan a manejar la interferencia.
(APC, 2007)

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Referencias bibliográficas
www.coimbraweb.com
Edison Coimbra G.
Tema 2 de:
SISTEMAS DE RF
FIN
Referencias bibliográficas
APC, Asociación para el progreso de las comunicaciones (2007). Redes Inalámbricas en los Países en
Desarrollo. Mountain View, CA. USA: Limehouse Book Sprint Team.
Blake, Roy (2004). Sistemas electrónicos de comunicaciones . México: Thomson.
Frenzel (2003). Sistemas Electrónicos de Comunicaciones. Madrid: Alfaomega.
Forouzan, B. A. (2007). Transmisión de datos y redes de comunicaciones. Madrid: McGraw-Hill.
Kraus, J., & Fleisch, D. (2000). Electromagnetismo con Aplicaciones. México: McGraw-Hill.
RadioMobile. RadioMobile. Recuperado el 16 de marzo de 2015, de http://www.cplus.org/rmw/english1.html.
Stallings, William (2007). Data and Computer Communication. New Jersey: Pearson.

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