(Propagación de ondas radioeléctricas)

Propagación de las ondas radioeléctricas: ondas terrestres e ionosféricas

Desplazamiento de las ondas electromagnéticas emitidas por una antena a través del espacio, la atmósfera o la superficie terrestre, según la frecuencia y las condiciones del medio.

Las ondas radioeléctricas generadas por una antena se propagan en todas direcciones a partir del punto de emisión. Sin embargo, su comportamiento no es idéntico en todos los casos, ya que depende de la frecuencia de la señal, de las características del medio de propagación y de las condiciones atmosféricas. En términos generales, estas ondas pueden desplazarse próximas a la superficie terrestre, dando lugar a las ondas terrestres, o bien dirigirse hacia las capas altas de la atmósfera, originando la propagación ionosférica. Ambos mecanismos tienen gran importancia en los sistemas de telecomunicaciones, ya que determinan el alcance, la calidad y la continuidad de la transmisión.

Figura : Las ondas que se propagan hacia el espacio son reflejadas por la ionosfera y retornan a la superficie terrestre.

Propagación de las ondas terrestres

Las ondas terrestres son aquellas que se desplazan próximas a la superficie de la Tierra. Su propagación se ve afectada por la presencia del terreno, por la conductividad de la superficie terrestre, por la frecuencia de la señal y por las condiciones existentes en la baja atmósfera. A medida que avanzan, estas ondas pueden sufrir absorciones, reflexiones y desviaciones, e incluso pueden bordear ciertos obstáculos del relieve. Por este motivo, no siempre llegan al receptor con la misma intensidad ni con la misma trayectoria.

La propagación terrestre está integrada por tres componentes principales: la onda de superficie, la onda directa y la onda reflejada.

La onda de superficie sigue una trayectoria adaptada al contorno terrestre. Es decir, se desplaza acompañando la curvatura de la Tierra, por lo que resulta útil para alcanzar receptores que no se encuentran estrictamente en línea recta con la antena emisora. Sin embargo, esta onda sufre una atenuación considerable, que depende en gran medida de la conductividad del terreno. Así, el agua del mar presenta una conductividad relativamente alta, motivo por el cual las ondas de superficie se atenúan poco sobre ella. En cambio, terrenos rocosos, arenosos o desérticos presentan una conductividad mucho más pobre, y las selvas o grandes extensiones de vegetación densa pueden dificultar notablemente la propagación.

La onda directa viaja en línea recta desde la antena emisora hasta la receptora, de modo similar a una trayectoria óptica. Por este motivo, suele decirse que este tipo de propagación depende de la línea de vista. Si la curvatura terrestre impide que ambas antenas “se vean”, la onda directa no alcanzará el receptor. Sin embargo, este comportamiento no es completamente rígido, ya que la baja atmósfera puede producir una ligera curvatura de la trayectoria debido a la refracción troposférica. Esta refracción está asociada a cambios en la humedad, la temperatura y la densidad del aire, y puede aumentar moderadamente el alcance efectivo de la señal.

Figura : Al incrementarse la frecuencia, el frente de onda se refracta a mayor altura respecto de la superficie terrestre, lo que provoca un aumento en su alcance.

La onda reflejada se produce cuando parte de la energía radiada rebota sobre la superficie terrestre antes de llegar al receptor. Esta componente recorre una trayectoria más larga que la onda directa y, por lo tanto, llega con cierto retraso. Ese retardo puede originar fenómenos de interferencia. Si ambas ondas llegan en fase, sus amplitudes se suman; si llegan desfasadas, pueden atenuarse entre sí e incluso anularse parcialmente. En ciertos casos puede producirse un desfase cercano a $$180^\circ$$, lo que provoca una notable disminución de la señal recibida.

Para reducir el efecto perjudicial de la onda reflejada, una solución práctica consiste en elevar la altura de la antena. Al hacerlo, mejora la trayectoria de la onda directa y se modifican las condiciones geométricas entre la componente directa y la reflejada, lo que puede disminuir la interferencia destructiva.

Influencia de la frecuencia en la propagación terrestre

La frecuencia de la onda radioeléctrica influye notablemente en su forma de propagación. Las ondas de baja frecuencia se refractan más intensamente que las de frecuencia alta. Por ello, en transmisores que trabajan con frecuencias relativamente bajas pueden lograrse distancias considerables. En cambio, en la banda de VHF y en la de UHF, la propagación es prácticamente óptica, es decir, depende en gran medida de la línea de vista entre emisor y receptor.

Figura : La onda A se emite en forma vertical y se propaga en línea recta hacia el espacio. La onda B se transmite con un ángulo crítico α₁, por lo que no retorna a la Tierra y sigue una trayectoria tangencial a su superficie. En cambio, las ondas C y D, emitidas con ángulos α₂ y α₃ inferiores al límite, sí regresan a la superficie terrestre.

Como regla general, la intensidad de campo en VHF y UHF aumenta al elevarse la altura de las antenas emisora y receptora, y disminuye con el cuadrado de la distancia entre ambas. En estas bandas, el horizonte radioeléctrico puede extenderse algo más allá del horizonte visual debido a la refracción atmosférica, pues el índice de refracción de la atmósfera no es uniforme y varía con la altura.

En estas condiciones, el alcance puede estimarse mediante la expresión:

$$D = \sqrt{2hrk}$$

donde $$D$$ es la distancia desde la antena emisora hasta el punto en que las ondas encuentran la superficie terrestre, $$h$$ es la altura de la antena, $$r$$ es el radio de la Tierra y $$k$$ es un coeficiente que depende de las condiciones atmosféricas. En condiciones normales suele adoptarse un valor aproximado de $$k = 1{,}33$$.

Si, por ejemplo, se considera una antena de $$60\ \text{m}$$ de altura y un radio terrestre de aproximadamente $$6.007.000\ \text{m}$$, el alcance resulta:

$$D = \sqrt{2 \cdot 60\ \text{m} \cdot 6.007.000\ \text{m} \cdot 1{,}33} \approx 31.000\ \text{m} = 31\ \text{km}$$

Este cálculo muestra que el aumento de la altura de la antena produce una mejora importante en el alcance, especialmente en sistemas que trabajan en VHF y UHF.

Propagación de las ondas ionosféricas

Además de propagarse junto a la superficie terrestre, parte de la energía radiada por una antena se dirige hacia la atmósfera superior. Allí encuentra una región especial llamada ionosfera, en la que los gases de la atmósfera se encuentran parcialmente ionizados debido a la acción de la radiación solar. La presencia de iones positivos, iones negativos y electrones libres modifica el comportamiento de las ondas radioeléctricas, haciendo posible que ciertas señales sean refractadas y regresen a la superficie terrestre a gran distancia del transmisor.

Figura : Comunicación a grandes distancias mediante múltiples reflexiones o saltos sucesivos.

Este mecanismo permite establecer comunicaciones a cientos o miles de kilómetros, sin necesidad de enlaces directos ni repetidores intermedios. Por ello, la propagación ionosférica ha sido históricamente fundamental en la radiodifusión de larga distancia y en las comunicaciones internacionales en bandas de alta frecuencia.

La ionización de la atmósfera comienza aproximadamente entre 35 y 50 km por encima de la superficie terrestre, aunque la mayor densidad de electrones libres se alcanza a alturas del orden de los 400 km. Esta ionización no es uniforme, sino que se distribuye en capas, tradicionalmente denominadas capas de Kennelly-Heaviside.

Capas de la ionosfera

Figura : capas de la ionósfera

La primera capa importante es la capa D, situada aproximadamente entre 50 y 80 km de altura. Durante las horas diurnas, esta capa tiende a absorber las ondas radioeléctricas de frecuencias inferiores a 30 MHz, siendo la absorción muy intensa para frecuencias inferiores a 2 MHz. Por este motivo, la capa D suele perjudicar las comunicaciones de baja frecuencia durante el día.

La siguiente es la capa E, ubicada aproximadamente entre 90 y 150 km. Posee una elevada concentración de electrones y puede refractar ciertas ondas radioeléctricas, especialmente en condiciones diurnas. Durante la noche, la densidad de electrones en esta capa disminuye mucho, lo que reduce notablemente su efecto sobre la propagación.

Por encima de la capa E se encuentra la capa F, situada entre unos 160 y 400 km de altura. Esta capa se subdivide durante el día en F₁ y F₂, siendo la capa F₂ la de mayor densidad electrónica y la más importante para las comunicaciones a gran distancia. Durante la noche, las capas F₁ y F₂ tienden a fusionarse en una sola capa de menor altitud efectiva, denominada en algunos textos capa F nocturna.

Variaciones de la ionosfera

La ionosfera no permanece constante. Sus capas cambian de altura, densidad electrónica y espesor a lo largo del día, con las estaciones del año y con la actividad solar. La radiación ultravioleta del Sol es el principal agente ionizante, por lo que durante el día la ionización es mayor que durante la noche. También existen variaciones ligadas al ciclo de manchas solares, cuyo período típico es de aproximadamente 11 años.

Cuando la actividad solar aumenta, especialmente en los máximos del ciclo solar, la ionización de ciertas capas, en particular de la capa F, se modifica de manera significativa. Esto repercute directamente en el alcance de las transmisiones. Una capa F situada a mayor altura puede permitir trayectorias más largas y, en consecuencia, mayores distancias de comunicación.

Debido a estas variaciones, el alcance de una transmisión ionosférica no es fijo, sino que depende de la hora del día, de la época del año y del estado de la actividad solar.

Refracción de las ondas en la ionosfera

Cuando una onda radioeléctrica penetra en una capa ionizada, su trayectoria deja de ser rectilínea. Esto ocurre porque la velocidad de propagación cambia al variar la densidad electrónica del medio. Como consecuencia, el frente de onda se curva gradualmente. Si la curvatura es suficiente, la onda regresa a la Tierra como señal utilizable.

Las ondas de baja frecuencia pueden ser fuertemente afectadas por la capa D y perder gran parte de su energía por absorción. En cambio, las ondas de frecuencia más elevada pueden atravesarla y alcanzar capas superiores, como la E o la F, donde sufren refracción y pueden volver a la superficie terrestre a grandes distancias del emisor.

Sin embargo, si la frecuencia sigue aumentando, llega un punto en el que la onda ya no es refractada lo suficiente y escapa al espacio exterior. Esto conduce al concepto de frecuencia crítica.

Frecuencia crítica

Se denomina frecuencia crítica a la frecuencia más elevada que puede ser devuelta a la Tierra por la ionosfera en determinadas condiciones. Esta frecuencia no es constante, ya que varía con la densidad electrónica de la capa ionosférica, y por tanto con la hora del día, la estación del año y la actividad solar.

En general, cuanto mayor es la densidad electrónica, mayor es la capacidad de refracción de la ionosfera, y por ello mayor puede ser la frecuencia crítica. Esto explica por qué durante el día, en verano y en períodos de máxima actividad solar, la frecuencia crítica suele alcanzar valores más elevados.

Cuando la frecuencia de transmisión supera ese valor crítico para una capa dada, la onda ya no retorna a la Tierra si es emitida verticalmente, sino que continúa propagándose hacia capas superiores o hacia el espacio.

Ángulo de propagación, ángulo límite y ángulo crítico

La posibilidad de que una onda vuelva a la Tierra no depende solo de su frecuencia, sino también del ángulo con que se emite respecto de la superficie terrestre. Si la onda se transmite verticalmente, puede ocurrir que no regrese, especialmente si su frecuencia es elevada. En cambio, si se reduce el ángulo de propagación, es decir, el ángulo formado por la trayectoria de la onda con una línea tangente a la Tierra en el punto de emisión, aumenta la probabilidad de que la señal regrese a la superficie.

El máximo ángulo con el cual una onda puede ser devuelta a la Tierra para una frecuencia dada recibe el nombre de ángulo límite. Si el ángulo supera cierto valor, la onda deja de regresar y sigue una trayectoria tangencial o se pierde en el espacio.

No debe confundirse este concepto con el de ángulo crítico, que corresponde a la condición en la que el frente de onda refractado avanza tangencialmente a la superficie terrestre sin volver a ella. Cada frecuencia posee su propio ángulo crítico, de manera que el punto donde la onda retorna depende tanto de la frecuencia como del ángulo de emisión.

Frecuencia máxima utilizable y frecuencia óptima

Para una distancia determinada entre emisor y receptor, existe una frecuencia máxima que puede utilizarse para que la señal vuelva a la Tierra mediante refracción ionosférica. Esta se conoce como frecuencia máxima utilizable o MUF. Su valor depende de las condiciones ionosféricas y del ángulo de propagación.

Además, desde el punto de vista práctico, se define la frecuencia óptima de emisión como aquella con la que se obtiene la comunicación más eficaz. Esta frecuencia suele ser algo inferior a la MUF, ya que proporciona una mayor estabilidad frente a variaciones instantáneas de la ionosfera.

Alcance nocturno y comportamiento de las capas

Durante la noche, las capas D y E disminuyen fuertemente su influencia, e incluso pueden prácticamente desaparecer en cuanto a su efecto útil sobre ciertas bandas. Al mismo tiempo, las capas F₁ y F₂ tienden a combinarse. Como resultado, muchas comunicaciones de larga distancia mejoran notablemente en horario nocturno, ya que disminuye la absorción y la señal puede retornar desde capas más altas o más favorables para el enlace.

Esto explica por qué algunas emisiones de radio en alta frecuencia se reciben mejor de noche que de día, y por qué la distancia alcanzada puede variar notablemente a lo largo de una misma jornada.

Zona de silencio

Al estudiar la propagación conjunta de las ondas terrestres y las ionosféricas, se observa que puede existir una región cercana al transmisor cubierta por las ondas terrestres y otra, más alejada, en la que se reciben las señales reflejadas o refractadas por la ionosfera. Entre ambas puede aparecer una franja en la cual no se recibe señal útil. Esa región recibe el nombre de zona de silencio.

Figura : zona de silencio

La zona de silencio se produce entre el punto donde la onda terrestre deja de ser suficientemente intensa y el punto donde se produce el primer retorno de la onda ionosférica. Su extensión depende de la frecuencia, de la altura efectiva de las capas ionosféricas y del ángulo de propagación.

Figura : Los satélites geoestacionarios permiten establecer comunicaciones confiables entre dos o más puntos de la Tierra.

Transmisión por saltos múltiples

La propagación ionosférica no se limita necesariamente a un único retorno. Una onda puede ser refractada por la ionosfera, reflejada por la superficie terrestre y volver nuevamente hacia la ionosfera, produciendo así una serie de saltos múltiples. Gracias a este mecanismo es posible establecer comunicaciones a distancias muy grandes, incluso intercontinentales.

No obstante, cada salto implica pérdidas de energía. En consecuencia, cuanto mayor sea el número de saltos, más débil será la señal que finalmente llegue al receptor. Además, entre salto y salto pueden existir nuevas zonas de silencio.

Términos relacionados :

• Propagación de ondas radioeléctricas. (Radio wave propagation — telecommunications, RF engineering)
• Onda terrestre. (Ground wave — radio communications, electromagnetics)
• Onda espacial. (Space wave — telecommunications, RF engineering)
• Onda ionosférica. (Ionospheric wave — radio communications, atmospheric physics)
• Onda de superficie. (Surface wave — electromagnetics, radio communications)
• Onda directa. (Direct wave — telecommunications, RF engineering)
• Onda reflejada. (Reflected wave — electromagnetics, wave propagation)
• Línea de vista. (Line of sight, LOS — telecommunications, RF engineering)
• Refracción troposférica. (Tropospheric refraction — atmospheric physics, telecommunications)
• Conductividad del terreno. (Ground conductivity — electromagnetics, geophysics)
• Atenuación de señal. (Signal attenuation — telecommunications, signal processing)
• Interferencia de ondas. (Wave interference — physics, signal processing)
• Interferencia constructiva. (Constructive interference — physics, wave theory)
• Interferencia destructiva. (Destructive interference — physics, wave theory)
• Frecuencia de la señal. (Signal frequency — telecommunications, electronics)
• Banda VHF. (Very High Frequency, VHF — telecommunications, RF engineering)
• Banda UHF. (Ultra High Frequency, UHF — telecommunications, RF engineering)
• Horizonte radioeléctrico. (Radio horizon — telecommunications, RF engineering)
• Altura de antena. (Antenna height — telecommunications, antenna theory)
• Alcance de transmisión. (Transmission range — telecommunications, RF engineering)
• Ionosfera. (Ionosphere — atmospheric physics, radio communications)
• Ionización atmosférica. (Atmospheric ionization — physics, atmospheric science)
• Capa D. (D layer — ionospheric physics, radio communications)
• Capa E. (E layer — ionospheric physics, radio communications)
• Capa F. (F layer — ionospheric physics, radio communications)
• Frecuencia crítica. (Critical frequency — ionospheric propagation, RF engineering)
• Ángulo de propagación. (Angle of propagation — wave propagation, electromagnetics)
• Ángulo crítico. (Critical angle — physics, wave propagation)
• Frecuencia máxima utilizable. (Maximum usable frequency, MUF — radio communications, RF engineering)
• Zona de silencio. (Skip zone / Dead zone — radio communications, wave propagation)

Conclusión

La propagación de las ondas radioeléctricas depende de una compleja interacción entre la frecuencia, la superficie terrestre, la atmósfera y la ionosfera. En la propagación terrestre intervienen la onda de superficie, la onda directa y la onda reflejada, cada una con comportamientos particulares condicionados por la conductividad del terreno, la curvatura terrestre y la refracción troposférica. En la propagación ionosférica, en cambio, resultan decisivas la ionización de las capas atmosféricas, la actividad solar, la frecuencia crítica, el ángulo de propagación y la frecuencia máxima utilizable.

Gracias a estos fenómenos es posible establecer desde enlaces locales en VHF y UHF hasta comunicaciones de gran alcance mediante reflexión o refracción ionosférica. Al mismo tiempo, surgen limitaciones como la absorción en ciertas capas, la interferencia entre trayectorias, la existencia de zonas de silencio y las pérdidas por saltos múltiples. Comprender estos mecanismos es fundamental para el estudio de la radiocomunicación, el diseño de enlaces inalámbricos y la correcta selección de frecuencias y antenas en los sistemas modernos de telecomunicaciones.