En este apartado se describen algunos conceptos básicos y fenómenos de propagación de las ondas de radio de HF: onda de tierra, onda aérea, refracción, reflexión ionosférica, frecuencia crítica, birrefrigencia, girofrecuencia y absorción.

Cuando un transmisor de radio de HF comienza a transmitir, se generan dos tipos de ondas diferenciadas:

Onda de tierra

Onda aérea

la propagación de estas ondas, se estudian a partir de fenómenos atmosféricos de refracción y reflexión ionosférica, y de su dependencia de variables físicas presentes en su propagación como frecuencia crítica, birrefrigencia, girofrecuencia y absorción.

Onda de Tierra.- La onda de tierra se propaga a muy poca distancia del suelo y por ello se ve muy afectada por la orografía, que puede provocar fenómenos de reflexión, propagación multitrayecto y difracción. Las peculiaridades de este tipo de onda dependen de la frecuencia de trabajo, el tipo de suelo (conductividad del terreno) y la altura de las antenas.

La propagación por onda de tierra es predominante en la zona media de la banda de HF, teniendo alcances máximos de unos 100 km.

Onda de Aérea.- El diagrama de radiación de las antenas utilizadas en HF suele presentar una cierta elevación respecto al plano de tierra, normalmente de unos 3º, provocando que se genere una onda dirigida hacia la atmósfera, la que se conoce como onda aérea.

La onda aérea alcanza las distintas capas de la atmósfera (troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera y exosfera), donde estará sujeta a distintos fenómenos que dependen, por ejemplo, de su longitud de onda:

• Propagación troposférica: Las ondas de radio que viajan por la troposfera experimentan variaciones de polarización leves. La densidad de la atmósfera desciende de forma proporcional a la altura, formando un gradiente que hace que las ondas se refracten consiguiendo alcances superiores al óptico, en condiciones de ausencia de obstáculos. Afecta especialmente a las bandas de VHF, UHF y SHF, teniendo efecto en HF solamente para comunicaciones de corto alcance.

• Propagación ionosférica: Está sujeta a los fenómenos electromagnéticos que tienen lugar en la mesosfera y termosfera, fundamentalmente refracción, reflexión y absorción.

La densidad de ionización (N) no es homogénea dentro de la ionosfera. Con la altitud, aumenta la densidad de ionización, esto produce una decremento en el valor del indice de refracción atmosférico, dando lugar a la formación de estratos con diferentes indices de refracción que producen cambios de velociadad en la propagación de la ondas electromagnéticas, y por consiguente, un cambio de dirección en su trayectoria ascendente.

Para simplificar este estudio se utiliza un modelo geométrico (no formal desde el punto de vista físico) para estudiar los fenómenos de refracción y reflexión, como se muestra en la figura.

En la figura se presentan distintos estratos de la ionosfera según se va ascendiendo. Considérese una región de la ionosfera en la que cada uno de esos estratos se caracteriza por un valor de densidad de ionización Ni, de tal forma que

0 < N1 < N2 <Ni < Nk

es decir, a mayor altitud, (hasta la capa F2 a 300Km) mayor densidad de ionización, mayor cantidad de electrones libres por unidad de volumen.

Cuando una onda de radio va atravesando estos estratos, sufre refracción, es decir, su trayectoria se desvía, de acuerdo a la ley de Snell.

ni(sen θi) = nk(sen θk)

Se ha comprobado que el índice de refracción de cada estrato está relacionado con la densidad de ionización y con la frecuencia de la onda de radio que lo atraviesa, mediante la siguiente ecuación:

ni = índice de refracción del estrato
Ni = densidad de ionización del estrato (e-/cm3)
f = frecuencia de la onda de radio que atraviesa el estrato (Hz)

De esta forma y partiendo de las hipótesis iniciales, podemos concluir que, conforme aumenta la altitud, el índice de refracción decrece, lo que provoca que la onda vaya sufriendo refracciones cada vez más pronunciadas conforme progresa en altitud.

Llegará un momento en el que la trayectoria del rayo sea paralela a la superficie de la Tierra esto es,

ni(sen θi) = nk(sen θk)

ni(sen θi) = nk(sen 90°)

ni(sen θi) = nk

donde, θi es considerado como ángulo crítico. θi = θc, dado por

(sen θc) = nk/ni

Para angulos de incidencia menores al crítico, (θi < θc) se produce la reflexión total, es decir, la trayectoria de la onda de radio vuelva hacia la Tierra.

Para angulos de incidencia mayres al crítico, (θi > θc) se produce una refracción, es decir, la trayectoria de la onda sigue atravezando capas, desvaneciendose en la altura.

Frecuencia Crítica.- Se define la frecuencia crítica o frecuencia de corte (fo) de una capa de la ionosfera como aquella a partir de cuyo valor las ondas electromagnéticas emitidas de forma completamente perpendicular a la superficie terrestre ya no se reflejan en dicha capa. Las ondas de frecuencia igual o superior a la crítica atraviesan la ionosfera y progresan hacia el espacio exterior. Las de frecuencia inferior se reflejan y vuelven hacia la superficie terrestre.

Como hemos visto, existen capas de la ionosfera donde se alcanzan máximos relativos o absolutos de densidad de ionización. Cada una de estas capas tendrá una frecuencia crítica cuyo valor viene definido por:

f0 = frecuencia crítica de la capa (Hz)
Nmax = densidad de ionización máxima de la capa (e-/cm3)

La frecuencias críticas de las capas E, F1 y F2 se denotan, respectivamente, como foE, foF1 y foF2.

En el caso de la capa F2, por ser la más alta y por tanto la más expuesta a las radiaciones del Sol, la foF2 es muy variable y se estudia a través de ionosondas para realizar la predicción de su valor, que se refleja en mapas mundiales, como veremos más adelante.