La propagación de las ondas electromagnéticas por el espacio libre se suele llamar propagación de radiofrecuencia (RF), o simplemente radiopropagación.

Las ondas electromagnéticas transversales (TEM) se propagan a través de cualquier material dieléctrico, incluyendo el aire. Sin embargo, no se propagan bien a través de conductores con pérdidas, como el agua de mar, porque los campos eléctricos hacen que fluyan corrientes en el material que disipan con rapidez la energía de las ondas.

Las ondas de radio son ondas electromagnéticas y, como la luz, se propagan a través del espacio libre en línea recta y con una velocidad de 300.000 kilómetros por segundo. Otras formas de ondas electromagnéticas son los rayos infrarrojos, los ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. Para propagar las ondas de radio por la atmósfera terrestre se necesita que la energía se irradie de la fuente.

Características de las Ondas Electromagnéticas

Una onda electromagnética contiene un campo eléctrico y uno magnético, que forman 90º entre sí. La polarización de una onda electromagnética plana no es más que la orientación del vector campo eléctrico respecto de la superficie de la Tierra, es decir, respecto del horizonte. Si la polarización permanece constante, se llama polarización lineal.

La polarización horizontal y la polarización vertical son dos formas de polarización lineal. Si el campo eléctrico se propaga en dirección paralela a la superficie terrestre, se dice que la onda está polarizada horizontalmente. Si el campo eléctrico se propaga en dirección perpendicular a la superficie terrestre, se dice que la onda está polarizada verticalmente. Si el vector de polarización gira 360º a medida que la onda recorre una longitud de onda por el espacio, y la intensidad de campo es igual en todos los ángulos de polarización, se dice que la onda tiene polarización circular.

Densidad de Potencia e Intensidad de Campo

Las ondas electromagnéticas representan el flujo de energía en la dirección de propagación. La rapidez con que la energía pasa a través de una superficie dada en el espacio libre se llama densidad de potencia.

Impedancia Característica del Espacio Libre

Las intensidades del campo eléctrico y magnético de una onda electromagnética en el espacio libre se relacionan a través de la impedancia característica (resistencia) del espacio vacío. La impedancia característica de un medio de transmisión sin pérdidas es igual a la raíz cuadrada de la relación de su permeabilidad magnética entre su permitividad eléctrica.

Atenuación y Absorción de Ondas

El espacio libre es el vacío, por lo que no hay pérdida de energía al propagarse una onda por él. Sin embargo, cuando las ondas se propagan por el espacio vacío, se dispersan y se produce una reducción de la densidad de potencia. A eso se le llama atenuación y se presenta tanto en el espacio libre como en la atmósfera terrestre. La atmósfera terrestre no es un vacío, contiene partículas que pueden absorber energía electromagnética. A este tipo de reducción de potencia se le llama pérdida por absorción, y no se presenta en ondas que viajan fuera de la atmósfera terrestre.

Propiedades Ópticas de las Ondas de Radio

A estas propiedades se las denomina ópticas porque fueron observadas primero en las ondas de luz.

• Refracción: La refracción electromagnética es el cambio de dirección de un rayo al pasar en dirección oblicua de un medio a otro con distinta velocidad de propagación. Por consiguiente, hay refracción siempre que una onda de radio pasa de un medio a otro de distinta densidad.
• Reflexión: La reflexión electromagnética se presenta cuando una onda incidente choca con una frontera entre dos medios, y parte o toda la potencia incidente no entra al segundo material. Las ondas que no penetran al segundo medio se reflejan.
• Difracción: Se define como la redistribución de energía, dentro de un frente de onda, cuando pasa cerca del extremo de un objeto opaco. Cuando un frente de onda pasa cerca de un obstáculo o discontinuidad cuyas dimensiones sean comparables a una longitud de onda, no se puede usar el análisis geométrico simple para explicar los resultados; es necesario recurrir al principio de Huygens. El principio de Huygens establece que todo punto sobre determinado frente de onda esférico se puede considerar como una fuente puntual secundaria de ondas electromagnéticas, desde la cual se irradian y se alejan otras ondas secundarias.
• Interferencia: La interferencia de ondas de radio se produce siempre que se combinan dos o más ondas electromagnéticas de manera tal que se degrada el funcionamiento del sistema. La interferencia está sujeta al principio de la superposición lineal de las ondas electromagnéticas y se presenta siempre que dos o más ondas ocupan el mismo punto del espacio en forma simultánea.

Tipos de Propagación de Ondas Electromagnéticas

Propagación de Ondas Terrestres

Una onda electromagnética que viaja por la superficie de la Tierra debe estar polarizada verticalmente, debido a que el campo eléctrico en una onda polarizada horizontalmente sería paralelo a la superficie terrestre y esas ondas se pondrían en corto por la conductividad del suelo. Con las ondas terrestres, el campo eléctrico variable induce voltajes en la superficie de la Tierra que hacen circular corrientes muy parecidas a las de una línea de transmisión. La superficie terrestre también tiene pérdidas por resistencia y por dieléctrico. Por lo tanto, las ondas terrestres se atenúan a medida que se propagan. Se propagan mejor sobre superficies con buena conductividad, por ejemplo, agua salada, y se propagan mal sobre superficies desérticas. Las pérdidas en las ondas terrestres aumentan rápidamente al aumentar la frecuencia. Por consiguiente, su propagación se limita generalmente a frecuencias menores a 2 MHz.

La propagación por ondas terrestres se utiliza normalmente en comunicaciones entre barcos y de barco a tierra, para la radionavegación y para comunicaciones marítimas móviles. Las ondas terrestres tienen frecuencias tan bajas como 15 kHz.

Ventajas y Desventajas de la Propagación de Ondas Terrestres

Desventajas:

1. Requieren una potencia de transmisión relativamente alta.
2. Se limitan a frecuencias muy bajas, bajas e intermedias (VLF, LF y MF) y requieren grandes antenas.
3. Las pérdidas en el terreno varían mucho según el material superficial y su composición.

Ventajas:

1. Con la potencia de transmisión suficiente, se pueden utilizar las ondas terrestres para comunicarse entre dos lugares cualesquiera en el mundo.
2. Las ondas terrestres se ven muy poco afectadas por las condiciones de la atmósfera.

Propagación de Ondas Espaciales

Las ondas espaciales incluyen ondas directas y las reflejadas en el suelo. Las ondas directas viajan esencialmente en línea recta, entre las antenas transmisora y receptora. La propagación de ondas espaciales directas se llama transmisión de línea de vista. Por lo tanto, la propagación directa de ondas espaciales está limitada por la curvatura de la Tierra. Las ondas reflejadas en el suelo son las que refleja la superficie terrestre cuando se propagan entre las antenas transmisora y receptora.

La curvatura de la Tierra presenta un horizonte en la propagación de las ondas espaciales, que se suele llamar horizonte de radio. La distancia de propagación de las ondas espaciales se puede incrementar aumentando la altura de la antena transmisora, de la antena receptora o de ambas.

Propagación por Ondas Celestes

Las ondas electromagnéticas que se dirigen sobre el nivel del horizonte se llaman ondas celestes. Las ondas celestes se irradian en una dirección que forma un ángulo relativamente grande con la Tierra. Se irradian hacia el cielo, donde son reflejadas o refractadas hacia la superficie terrestre por la ionosfera, que está entre 50 y 400 Km sobre la superficie terrestre.

Capas de la Ionosfera

• Capa D: Es la más inferior de la ionosfera.
• Capa E: Se ubica entre 100 y 140 Km sobre la superficie terrestre. Se le llama también capa Kennelly-Heaviside. Desaparece casi por completo en la noche.

Términos y Definiciones de Propagación

• Frecuencia crítica: Se define como la frecuencia más alta que se puede propagar directamente hacia arriba y ser regresada a la Tierra por la ionosfera. Depende de la densidad de ionización y, por lo tanto, varía con la época del año y la franja horaria.
• Ángulo crítico: Cada frecuencia tiene un ángulo vertical máximo en el cual se puede propagar y todavía ser refractada nuevamente por la ionosfera.
• Altura virtual (aparente): Es la altura, sobre la superficie terrestre, desde la que parece reflejarse una onda refractada.
• Máxima frecuencia utilizable (MUF): Es la mayor frecuencia que se puede usar en propagación de ondas celestes entre dos puntos específicos de la superficie terrestre.