Conceptos Fundamentales de Radiofrecuencia

1. ¿Qué es el decibelio?

El decibelio (dB) es una unidad relativa y logarítmica que se utiliza para comparar dos magnitudes de potencia o tensión.

2. Tres ventajas del uso del dB

• Simplifica cálculos: Permite transformar multiplicaciones y divisiones en sumas y restas.
• Maneja rangos grandes: Facilita la representación de valores muy grandes y muy pequeños simultáneamente.
• Operatividad: Permite sumar directamente ganancias y pérdidas en un sistema en cascada.

3. Diferencia entre dB y dBm

• dB: Es una unidad relativa (adimensional) que expresa la relación entre dos valores.
• dBm: Es una unidad absoluta de potencia, referida siempre a una potencia de 1 mW (milivatio).

4. Ancho de banda en el espectro de una señal

Se define como el rango de frecuencias donde se encuentra concentrada la mayor parte de la energía de la señal.

5. Ancho de banda en una transmisión vía radio

Se refiere a la separación de frecuencias necesaria entre emisoras para evitar interferencias y determina la capacidad de transmisión de información.

6. Significado de un valor positivo, negativo e igual a 0 en dB

• + dB: Indica una ganancia de potencia.
• – dB: Indica una pérdida o atenuación.
• 0 dB: Significa que la potencia de salida es igual a la de entrada (no hay cambio).

7. Significado de un dBm positivo, negativo o igual a 0

• > 0 dBm: La potencia es mayor a 1 mW.
• < 0 dBm: La potencia es menor a 1 mW.
• 0 dBm: La potencia es exactamente 1 mW.

8. Condición para máxima transferencia de potencia

Se produce cuando la impedancia de la carga es igual a la impedancia de la fuente (Z_carga = Z_fuente).

9. ¿Qué es la absorción?

Es la pérdida de energía que sufre una onda electromagnética al atravesar un medio, convirtiéndose dicha energía en calor.

10. ¿Qué es la difracción?

Es el fenómeno por el cual una onda rodea obstáculos o bordes afilados y continúa propagándose detrás de ellos.

11. Parámetro que debe coincidir para producir interferencia

Debe coincidir la frecuencia (y la fase determinará si la interferencia es constructiva o destructiva).

12. Fenómeno aprovechado por la onda de superficie

Aprovecha la difracción para adaptarse y seguir la curvatura de la Tierra.

13. ¿Cuándo hay mayor alcance ionosférico? ¿Por qué?

Ocurre de noche, debido a que la ionosfera se encuentra más estable y la capa D (que absorbe las señales) desaparece, permitiendo mejores reflexiones.

14. Qué hace falta para usar onda directa

Es indispensable que exista línea de vista (LOS – Line of Sight) despejada entre el transmisor y el receptor.

15. Bandas que pueden usar propagación ionosférica

Principalmente las bandas de MF (Frecuencia Media) y HF (Alta Frecuencia), especialmente en el rango de 3 a 30 MHz.

16. Qué son zonas de silencio o sombra

Son áreas geográficas donde no se recibe la señal porque no llega ni la onda de superficie ni la onda ionosférica (tras el primer salto).

17. Qué es el desvanecimiento y por qué ocurre

Son variaciones en la intensidad de la señal recibida causadas por interferencias entre múltiples trayectos (multipath) que recorre la onda.

18. Qué es el ruido en radiocomunicaciones

Es cualquier señal no deseada que se superpone a la señal útil y que no contiene información del mensaje original.

19. Origen del ruido externo artificial y frecuencias predominantes

Procede de máquinas eléctricas, sistemas de encendido y dispositivos electrónicos que producen chispas o conmutaciones. Afecta predominantemente a las bajas frecuencias.

20. Relación entre ruido y ancho de banda

Existe una relación directa: a mayor ancho de banda, mayor es la potencia de ruido captada por el sistema.

21. Cómo se llama el ruido que procede del Sol

Se denomina ruido espacial o específicamente ruido solar.

22. Ruido generado en transistores y resistencias

• Ruido de granalla (shot noise): Producido por la llegada aleatoria de portadores de carga en semiconductores.
• Ruido térmico (Johnson-Nyquist): Producido por la agitación térmica de los electrones en una resistencia.

23. Qué es la reflexión en una línea y cuándo se produce

Es el fenómeno donde parte de la señal incidente regresa hacia la fuente. Se produce cuando existe una desadaptación de impedancias entre la línea y la carga.

24. Valores del coeficiente de reflexión y del ROE. Valor ideal

• Coeficiente de reflexión (Γ): Oscila entre 0 y 1.
• ROE (Relación de Onda Estacionaria): Oscila entre 1 e infinito (∞).
• Valor ideal: Γ = 0 y ROE = 1 (adaptación perfecta).

25. Dos casos donde hay reflexión total

• Cuando la impedancia de carga es infinita (circuito abierto).
• Cuando la impedancia de carga es cero (cortocircuito).

Resumen Técnico de Parámetros

1. Decibelios (dB)

Unidad relativa, logarítmica y adimensional que expresa la relación entre dos potencias o voltajes.

Fórmulas fundamentales:

• Potencias: dB = 10 · log₁₀(P₂ / P₁)
• Voltajes: dB = 20 · log₁₀(V₂ / V₁)

Valores típicos de referencia:

• +3 dB: Doble de potencia.
• –3 dB: Mitad de potencia.
• +10 dB: Diez veces la potencia (×10).
• –10 dB: Una décima parte de la potencia (/10).

dBm

Unidad absoluta de potencia donde 0 dBm equivale a 1 mW.

Conversiones:

• dBm = 10 · log₁₀(P_mW)
• P_mW = 10^{(dBm / 10)}

Otras unidades de medida

• dBi: Ganancia de una antena respecto a una antena isotrópica ideal.
• dBd: Ganancia respecto a un dipolo de media onda (0 dBd = 2,15 dBi).
• dBμV / dBμV/m: Niveles logarítmicos de voltaje y de intensidad de campo eléctrico.

2. Ancho de Banda

• Es el rango de frecuencias donde una señal concentra su energía.
• En filtros y sistemas, se mide habitualmente entre los puntos de corte de –3 dB.
• Compromiso: Más ancho de banda permite transmitir más datos, pero también introduce más ruido al sistema.

3. Adaptación y ROE (SWR)

• Potencia directa: La energía que viaja desde la fuente hacia la carga.
• Potencia reflejada: La energía que retorna debido a la desadaptación.
• Coeficiente de reflexión (Γ): Γ = V_r / V_i.
• ROE: ROE = (1 + Γ) / (1 – Γ).
• ROE = 1: Adaptación perfecta, no hay reflexión.
• ROE alto: Indica una gran pérdida por potencia reflejada.
• Máxima transferencia de potencia: Ocurre cuando Z_carga = Z_fuente.

4. Propagación de Ondas

Fenómenos físicos principales:

• Absorción: Conversión de energía en calor (muy alta en metales).
• Reflexión: Rebote de la onda al chocar con superficies (metal, agua).
• Refracción: Cambio de dirección al pasar de un medio a otro.
• Difracción: Capacidad de rodear obstáculos (más efectiva en longitudes de onda largas).
• Dispersión: Interacción con objetos pequeños como la lluvia.
• Interferencia: Superposición de ondas que resulta en suma o cancelación.
• Rayo: Representación de la trayectoria de propagación.
• Frente de onda: Superficie que une puntos con la misma fase.

5. Modos de Propagación

• Onda de superficie: Sigue la curvatura terrestre; ideal para frecuencias bajas (LF/MF).
• Onda directa: Requiere visión directa (LOS); utilizada por encima de 30 MHz (VHF/UHF).
• Onda ionosférica: Se refleja en las capas de la atmósfera (D, E, F).
• Capa F2: Es la más importante para la reflexión de HF a larga distancia.
• Capa D: Presente solo de día; actúa como atenuador de frecuencias medias y altas.

6. Pérdida en Espacio Libre (FSL)

La señal se debilita proporcionalmente a la distancia y la frecuencia:

FSL(dB) = 20 · log₁₀(d) + 20 · log₁₀(f) + K

• A frecuencias más altas, el alcance es menor debido a la mayor atenuación.
• A frecuencias bajas, se obtiene mejor penetración y capacidad de difracción.

7. Ruido

Ruido Externo:

• Artificial: Generado por motores y maquinaria (predomina en frecuencias bajas).
• Atmosférico: Originado por tormentas y rayos (crítico en la banda de HF).
• Espacial/Cósmico: Proviene del Sol y las estrellas (relevante entre 8 MHz y 1,5 GHz).

Ruido Interno:

• Termoagitación (Johnson): P_n = k · T · B (donde k es la constante de Boltzmann, T la temperatura y B el ancho de banda).
• Granalla (Shot noise): Causado por el movimiento aleatorio de los portadores de carga en dispositivos activos.