1. _ Longitud de un Salto en Propagación ionosférica.
Esta es la distancia sobre el suelo cubierta por una señal de HF después de que ha sido refractada por la ionósfera, Figura 1. Desde un punto de vista geométrico, la mayor distancia que se puede cubrir con un solo salto, Tierra-Ionósfera-Tierra, depende de la altura de la capa ionosférica donde se refracta la señal.
Si se ubica a la Capa F a una altura de unos 300 Km por ejemplo, dada la curvatura de la tierra se puede calcular que con un ángulo de disparo de unos 4º, la longitud de salto alcanzada es de unos 3.200 Km. Si la señal se refracta en la Capa E y esta la ubicamos a unos 100 Km de altura, con el mismo razonamiento podemos calcular que la longitud del salto, aproximadamente será de unos 1.800 Km. La capa F puede estar más alta, sobre todo durante la noche o en latitudes altas, por lo que se pueden alcanzar longitudes de salto cercanas a los 4.000 Km.
Si la antena no puede irradiar en ángulos de disparo tan bajos, es posible que las distancias alcanzadas sean menores. Si se deben alcanzar puntos más distantes, habrá que confiar en trayectos de propagación con varios saltos, que llegan más lejos pero con menor intensidad de campo de la señal.
Para un solo salto, hay un alcance máximo, pero si es necesario llegar más lejos, se puede intentar con más potencia o mejores antenas. La señal podría dar dos o más saltos hasta llegar al receptor. Aunque difícil, en teoría siempre habrá un momento del día en que se pueda cubrir un enlace de cualquier longitud.
Ahora bien, queda por responder la cuestión de si es igualmente posible cubrir cualquier distancia por más pequeña que sea, lo que quizás sea más difícil de lograr, pero no imposible. La respuesta es que no siempre se puede, hay circunstancias es que no se puede establecer un radioenlace a cortas distancias. En esos casos, se dice que hay una zona donde las señales no llegan, una Zona de Silencio. Muchos operadores han pasado esta experiencia, pero no son muchos los que conocen sus características. De hecho hay toda una mitología creada a su alrededor que la convierte en un problema confuso, difícil de tratar.
2. _ Longitud Mínima del Salto Ionosférico.
En el párrafo anterior se vio que la distancia máxima que se puede cubrir con un salto ionosférico se logra con un ángulo de disparo de la señal del orden de los 4º o 5º. (Angulo que forma una línea que se encuentra en el eje del haz de irradiación, con otra línea horizontal, paralela a la superficie de tierra).
Determinar la distancia máxima que se puede cubrir con un radio enlace en HF es una cuestión muy importante, como es fácil de entender. Ahora bien, en este tipo de radio enlaces, se debe entender que al mismo tiempo que podemos comunicarnos con corresponsales ubicados a varios miles de kilómetros, quizás no podamos hacerlo con alguien que está a 10 Kilómetros de nuestra antena transmisora. De hecho, en muchas ocasiones hay una amplia franja geográfica alrededor de la antena transmisora que no recibe la señal que emitimos, mientras que, al mismo tiempo, nos escuchan fuerte y claro a miles de Km de distancia.
Esta zona donde la señal no llega, se denomina Zona de Silencio.
En cualquier lugar de la ionósfera hay iones positivos y electrones, rodeados de partículas neutras. Estas partículas se encuentran reunidas y contenidas por una complejo sistema de fuerzas mecánicas y electromagnéticas, productos de la acción del calor, la atracción de la gravedad, la presión ambiente, la presencia de campos eléctricos, el campo geomagnético, la radiación solar que deposita grandes cantidades de energía sobre los gases ionosféricos, etc. Estas fuerzas y las reacciones que generan, están continuamente variando y modificando el número, la distribución en altura y las relaciones de equilibrio entre las masas de partículas eléctricas y neutras del medio ambiente. A una cierta altura sobre la tierra, hay una cierta cantidad de partículas eléctricas, iones positivos y electrones, que se encuentran oscilando manteniendo relaciones de equilibrio entre sí. Esta oscilación es característica del número de partículas por unidad de volumen de cada altura ( Ne) y se la denomina Frecuencia de Plasma de esa altura. Como depende del número de partículas eléctricas, dependerá del grado de ionización, o sea, de la posición geográfica, de la hora del día, de la época del año y del ciclo de actividad solar.
Si se emite una onda electromagn ética en forma vertical hacia la ionósfera, la onda irá penetrando en las capas ionizadas, encontrando a su paso una densidad cada vez mayor de partículas eléctricas. Dicho de una manera sencilla pero muy aproximada a la realidad, la onda seguirá penetrando hasta que encuentre una cantidad de partículas eléctricas por unidad de volumen tal, que su frecuencia de plasma sea igual a la frecuencia de la onda incidente. La frecuencia de plasma aumenta con el nivel de ionización, o sea, irá aumentando con la altura hasta llegar al máximo nivel de ionización de la Capa F2. Dependiendo de la frecuencia de la onda, la señal irá penetrando más y más hasta que la ionización sea suficiente para que la onda se refracte, según el mecanismo que ya explicamos en una nota técnica anterior. Si la frecuencia de la onda es muy alta, la señal quizás tenga que llegar a las capas más ionizadas de la ionósfera, la Capa E, la F1 o quizás por último, la Capa F2 para poder refractarse. Como vimos en otra nota técnica, podemos interpretar este fenómeno de refracción mediante el modelo del trazado de un rayo que representa la trayectoria que sigue la señal, como se presenta en la Figura 2. La señal va penetrando en la ionósfera y va cambiando su dirección cada vez que cambia la frecuencia del plasma o, dicho de otra forma, del índice de refracción de la ionósfera. En este modelo, usamos una representación de la ionósfera compuesta por muchas capas planas y uniformes de gases con una ionización creciente, las que son atravesadas por la onda que va sufriendo sucesivas refracciones con cambios de dirección, como se puede apreciar en la Figura 2. (Mecanismo que nos permite usar la Ley de Snell para explicar la refracción del rayo, cada vez que pasa de un medio con un índice de refracción ni a otro medio con un índice de refracción menor. En otras palabras, de un medio a otro más ionizado). Al fin del proceso, si la onda encuentra suficiente ionización, su trayectoria se orientará en dirección a la tierra.
Si la frecuencia de la onda es tan elevada que no hay un nivel con tanta ionizaci ón como para lograr que la señal se refracte totalmente, la onda sufrirá una desviación pero no suficiente como para dirigir la señal hacia tierra. En ese caso, la onda seguirá su trayectoria hacia el espacio exterior.
En esta explicación, falta considerar los casos en que la señal es emitida hacia la ionósfera en forma oblicua, es decir, la señal sigue una trayectoria que la aleja del transmisor, incidiendo en la ionósfera con un cierto ángulo que llamaremos ?ángulo de incidencia? , tal como se ilustra en la Figura 3.
En esta figura, esquemáticamente se muestran dos situaciones; a la izquierda un rayo es emitido desde la tierra y viaja hacia una cierta altura dentro de la ionósfera, donde es refractado totalmente y regresa a la tierra. Asumamos que la frecuencia utilizada ha sido la máxima frecuencia que podemos emitir verticalmente que regresa a tierra. Frecuencias más altas no encuentran la ionización suficiente para refractarse y pasan al espacio exterior. En estas condiciones podemos llamar a esta frecuencia como: Máxima Frecuencia Utilizable en incidencia Vertical, MUFv.
Si emitimos la señal en forma oblicua de tal manera que incida en la ionósfera con un cierto ángulo, podríamos preguntarnos cuál será la máxima frecuencia que podemos transmitir por este Modo sin que la señal salga al espacio exterior atravesando las capas ionizadas de la ionósfera. Para esta situación, usando un modelo sencillo que considera a la tierra como plana y sin la influencia del campo geomagnético terrestre, se ha descubierto que la propagación de la señal cumple con lo que se llama la Ley de la secante, esto es:
MUFo = MUFv · Sec (1)
Aunque deducida con un modelo muy sencillo, en la práctica es capaz de predecir los aspectos más significativos de muchos casos reales de la propagación ionosférica. Esta expresión dice que la Máxima Frecuencia que podemos transmitir en un circuito oblicuo, MUFo, en el que la señal llega a la ionósfera con un cierto ángulo , será igual a la Máxima Frecuencia que podemos transmitir en incidencia vertical, MUFv, multiplicada por la sec del ángulo de incidencia . Esto quiere decir muchas cosas muy interesantes:
a) La MUFv, es proporcional a la cantidad de ionización, por lo que cuanto más ionizada estén las capas ionosféricas, mayor será la frecuencia que podemos transmitir. O sea, a mediodía se podrán utilizar las frecuencias más altas y a media noche se deberán usar frecuencias mucho más bajas. (En realidad, generalmente las máximas frecuencias se pueden utilizar después de la 01 Hs. pm local, debido a ciertos retardos en producirse la máxima ionización en la ionósfera.)
En este mismo orden, puede entenderse que en verano se podrán utilizar frecuencias más altas que en invierno y que en épocas de alta actividad solar se pueden usar frecuencias más elevadas que en épocas de mínima actividad solar como la actual.
b) El segundo factor que interviene en el cálculo de la máxima frecuencia que podemos transmitir en incidencia oblicua es la sec. Como el valor de esta función trigonométrica crece de acuerdo al crecimiento de, quiere decir que la MUFo aumenta cuando crece, es decir, cuando el circuito es más largo. En otras palabras, para los circuitos largos se pueden usar frecuencias más elevadas que para los circuitos cortos.
Hasta acá, todo concuerda con la experiencia práctica; las frecuencias diurnas son más altas que las nocturnas, en verano se pueden usar frecuencias más altas, en épocas de alta actividad solar se ?abren las bandas utilizables? porque se pueden usar nuevamente las bandas altas, en circuitos largos las frecuencias utilizables son más altas que en los circuitos cortos, etc. (Siempre estamos hablando de circuitos de menos de un salto, porque cuando es demasiado largo, la aparición de dos o más saltos requiere analizar salto por salto y los resultados son un poco más complejos. Esto será tratado en una futura Nota Técnica.)
Ahora, tengamos en cuenta la ecuación (1). Supongamos que para cierto circuito, en una hora y época determinada, se está usando una frecuencia de 14 MHz por ejemplo. ¿Se podría usar la misma frecuencia para un circuito más corto? Esto implica que sec será menor porque es menor cuando el circuito es más corto. Así, para que siga valiendo (1), si sec es menor, MUFv deberá ser mayor, o sea, la señal deberá llegar más arriba, donde haya más ionización. Si el circuito es más corto todavía, sec será cada vez menor y la señal deberá ir cada vez más arriba, cada vez más cerca de los niveles de máxima ionización hasta llegar a la Capa F2 de la ionósfera. Si el circuito es menor que este límite, la señal no encontrará un nivel de ionización suficiente para ser refractada totalmente y se perderá en el espacio sin regresar a la superficie de la tierra.
Esta descripción se puede visualizar en la Figura 4. El trazado (1) corresponde a la propagación descripta inicialmente. El trazado (2), representa la trayectoria de un rayo que simula el usar la frecuencia original en un circuito más corto, por lo cual, la señal tiene que penetrar hasta la Capa F1 para encontrar más ionización y así poder refractarse y volver a la tierra. En el trayecto (3), la señal llegó al nivel de Capa F2, el de máxima ionización, y allí se refracta como para dirigirse nuevamente hacia la tierra.
El trazado (4), representa la trayectoria para la cual el valor de sec es tan bajo que no encuentra un nivel tan alto de densidad de ionización que lo compense como para que siga valiendo la expresión (1). De esta forma, el rayo atraviesa la ionósfera y escapa hacia el espacio exterior. El rayo no regresa a la tierra. Aquellos corresponsales que están ubicados en el lugar donde debería haber llegado la señal, no la pueden recibir. Están dentro de lo que llamamos Zona de Silencio de la Propagación Ionosférica de esta frecuencia.
Por más direccional que sea una antena de HF, desde sus elementos irradiantes sale un haz de radiación que se expande por el espacio en un ancho cono de irradiación. Una parte de dirige hacia la ionósfera y según el ángulo que con el que inciden en ella, los diferentes rayos que lo componen se refractarán o no. En la Figura 5, se presenta el trazado de las posibles trayectorias calculadas por una computadora, para una señal radioeléctrica de 12 MHz que se propaga a través de una Ionósfera constituida por dos capas, la Capa E y la Capa F.
Esta representación es más real que la Figura 4 porque en la práctica, una antena no emite un único rayo de señal. Las distintas trayectorias dibujadas por la computadora, responden a diferentes combinaciones de los dos factores principales que controlan estos modos de propagación, el ángulo de incidencia y la forma en se distribuye la ionizacíon en las capas ionosféricas. Se observa la presencia de la Capa F alrededor de los 240 Km de altura y la Capa E, a unos 110 Km
Breve Descripción de las Trayectorias de la Señal.
1. _ La primera trayectoria que llega a tierra lo hace a unos 1100 Km del punto desde donde fue emitida. Obsérvese que a partir de este punto, sobre el terreno llega el conjunto de las trayectorias que podría seguir la señal luego de refractarse en diferentes regiones de la ionósfera. Cada una de estas trayectorias es diferente y la señal sufrirá diferentes efectos en su polarización, su intensidad de campo, su dispersión, etc. En general, interesan solo los modos ?más fuertes?, es decir los que sufren menor atenuación a su paso por la ionósfera.
2. _ Entre el lugar donde está la antena transmisora y los 1100 Km de distancia, no llega ningún trazado, no hay ninguna trayectoria posible. Esta región es la zona de silencio para 12 MHz, para esta hora, en esta época del año y del ciclo de actividad solar. Esto dice que la zona de silencio es VARIABLE, no es la misma para todas las frecuencias, ni es la misma todo el día, ni todo el año, etc.
3. _ Zona Ionosférica de Silencio.
Podemos decir que la zona ionosférica de silencio es aquella zona donde no llega la señal ionosférica emitida por la antena transmisora. Según lo que se describe en los párrafos de más arriba, podemos establecer las siguientes conclusiones:
1) La zona de silencio es una región alrededor de la antena transmisora donde la señal ionosférica no puede ser recepcionada porque no puede ser refractada por la ionósfera.
2) La magnitud de la Zona de Silencio depende de la frecuencia de operación.
3) Para una misma frecuencia, la zona de silencio depende de la hora, la época del año y de la actividad solar. Un mismo corresponsal puede estar dentro de la zona de silencio durante varias horas al día y luego estar afuera, recibiendo la señal fuerte y claro.
4) Un mismo corresponsal puede estar dentro de la zona de silencio durante largo tiempo y luego entrar en zona de cobertura con muy buenos contactos.
El conocimiento de estas características evita que proliferen los mitos y leyendas sobre la zona de silencio.
En la Figura 6 se presenta un esquema de la hipotética zona de silencio para la frecuencia de 4 MHz en ciertas condiciones de radio propagación. (Hora, mes, actividad solar, posición geográfica, etc.) Se muestra la zona de silencio alrededor de la antena y en color verde, la zona de servicio cubierto por esta frecuencia.
En la Figura 7, se presenta la zona de silencio para la frecuencia de 6 MHz en las mismas condiciones de radiopropagación. Se observa que la zona de silencio es más grande que la de 4 MHz.
En la Figura 8, se muestra finalmente la zona de silencio para la frecuencia de 12 MHz, destacándose que es mucho más grande que las anteriores. En los tres casos se muestra que la zona de silencio es simétrica alrededor de las antenas. Esto no es siempre así, ya que la antena transmisora no siempre es omnidireccional en el plano azimutal.
4. _ Cubrimiento por Onda de Superficie.
En general, se puede asumir que siempre, alrededor de una antena transmisora de HF, existe una zona geográfica cubierta por lo que llamamos una onda de superficie. Esta onda, puede prestar un buen servicio si la antena tiene una componente vertical fuerte, como un monopolo vertical o hasta una V Invertida. La intensidad de la señal emitida por onda de superficie puede cubrir toda o parte la zona de Silencio ionosférica. También puede ocurrir que la zona cubierta por la onda de superficie sea muy pequeña y la zona de silencio de la onda ionosférica sea muy grande, por lo que entre ambos límites se forme una zona, donde no se puede recibir la señal emitida ni por onda ionosférica ni por onda de superficie.
Esta zona es la que se denomina ?Zona de Silencio? y es el lugar donde un corresponsal no tiene servicio ni por onda ionosférica ni por onda de superficie.
En la figura 9 se muestra un esquema de las zonas cubiertas por la onda de superficie y por la onda ionosférica y la zona de silencio que se forma entre ambas.
Es importante tener en cuenta que en la práctica pudiera darse que:
1) Si la frecuencia es muy baja, el alcance por onda de superficie es mayor y su cobertura se extiende, disminuyendo la zona de silencio. (Se extiende la zona de color rojo)
2) Por otro lado, si la frecuencia fuese tan baja, también disminuye la zona de silencio para el salto ionosférico, reduciendo así también la Zona de Silencio. (La zona azul crece, reduciendo la zona blanca)
3) Si se aumenta la potencia de la señal, se logra el mismo efecto que en (1), aumenta la cobertura de la onda de superficie. (Se extiende la zona roja)
4) Eventualmente, la zona roja pudiera tomar contacto con la zona azul; el alcance por onda de superficie es tal que se complementa con el alcance por onda ionosférica y cubren toda la región; desaparece la zona de silencio. Esto no siempre es deseable, porque si se produce la superposición de ambas coberturas, es posible que se produzca interferencia destructiva entre ambos modos de propagación. Esto puede agravarse si las antenas no permiten separar ambos modos de propagación.
5._ Uso de la Zona de Silencio.
En ocasiones, la Zona de Silencio ha sido utilizada ventajosamente para ciertos propósitos estratégicos. Mediante el uso de frecuencias y antenas adecuadas, se puede transmitir información tratando deliberadamente de que la señal no llegue a una determinada posición en particular. Por ejemplo; si se usa una frecuencia del orden de 15 MHz y una antena de polarización vertical, se puede lograr una cobertura por onda de superficie en zonas cercanas al transmisor del orden de los 5 a 10 Km dejando afuera a cualquier estación receptora no deseada que estuviera ubicada a 100 o 200 Km de distancia, ya que esta estación estaría muy adentro de la zona de silencio de 15 MHz. (Ni qué decir si solo se la usase de noche, por ejemplo. La zona de silencio en ese caso podría extenderse por varios cientos de kilómetros.) Eligiendo adecuadamente las frecuencias, las condiciones de emisión y los horarios de transmisión, se puede hacer variar las dimensiones de la zona de silencio, cuyos radios pueden ir desde prácticamente cero a más de mil kilómetros.
Lic. José L.Verdile
Estación Ionosférica Ushuaia
Servicio Naval de Investigación y Desarrollo, SENID
