SISTEMAS DE MICROONDAS

SISTEMAS DE MICROONDAS2015

ASIGNATURA:SISTEMA DE MICROONDASTEMA:EFECTO DE LA LLUVIA EN RADIOENLACES TERRESTRESPROFESOR:Ing. JAIME VALLEJOS LAOSALUMNOS:ORE RIVERA MIGUEL 1023210202CALDERON CHAVEZ VALENTIN 1113220387 VEGA ANICETO MIGUEL 1023220307 VELIZ ACOSTA ROQUE 100093A CADILLO VILLANUEVA,ANTHONY 1023220236LORAVERAMENDI,RONALD 1023210113

Bellavista, 2015

EFECTO DE LA LLUVIA EN RADIOENLACES TERRESTRES

Las seales de radio son ondas electromagnticas que estn compuestas por una componente elctrica y una magntica la cuales estn expuestas a ciertos fenmenos como: refraccin, reflexin, difraccin y dispersin que son capaces de modificar el patrn de propagacin de las mismas. Parte de estos fenmenos ocurren en la troposfera capa de la atmsfera en la cual se forman las nubes, lluvia, nieve y tormentas con descargas elctricas, las cuales producen importantes variaciones en la propagacin de las ondas. Por lo tanto cuando las ondas se propagan en regiones de lluvia se atenan como consecuencia de la absorcin de potencia, adicionalmente tambin se producen prdidas sobre la onda transmitida debido a la dispersin por parte de la energa del haz que provocan las gotas de lluvia. La prdida de potencia de estas ondas es inversamente proporcional al cubo de la distancia recorrida en el aire, las cuales pueden atravesar obstculos ms fcilmente mientras menor es su frecuencia, ya que a mayor frecuencia viajan cada vez ms en lnea recta y son absorbidas por la lluvia o el agua, lo que es conocido como prdida por lluvia / disminucin pluvial (RF) o atenuacin por lluvia RF (Rain Fade), uno de los fenmenos ms comunes que afectan la transmisin y recepcin de seales de los radio-enlaces.LLUVIAEs una precipitacin de agua en forma de gotas que se produce cuando stas alcanzan un dimetro superior a los 0,5 mm. Caen a la tierra por la gravedad a una velocidad superior a los 3 m /seg, se expresa en milmetros de agua y equivale al agua que se acumulara en una superficie horizontal e impermeable de 1 metro cuadrado durante el tiempo que dure la precipitacin. Actualmente, la recepcin de seales se ve afectada por fenmenos atmosfricos como la lluvia, reconocida como una de las principales causas que afectan la propagacin de la energa electromagntica interrumpiendo la transmisin.

MECANISMOS DE FORMACIN DE LA LLUVIA El ms sencillo sistema de formacin de lluvia es el llamado por conveccin y se produce cuando una masa de aire asciende porque su temperatura es mayor, y por tanto, es ms ligera que el aire que la rodea. El resultado es que la masa se enfra y se origina el proceso de condensacin, lo que da lugar a la lluvia por conveccin. Por otra parte, una masa de aire tambin puede ser forzada a niveles ms fros, cuando encuentra una cadena montaosa en su camino, la lluvia producida por este mtodo se denomina lluvia orogrfica o de relieve. Un proceso similar tiene lugar cuando una masa de aire caliente se encuentra con una gran masa de aire fra, lo que en el argot metodolgico se conoce como una montaa de aire fra. Como las masas de aire generalmente no se mezclan, el aire caliente asciende, deslizndose por encima del fro. La lluvia que nace de este encuentro recibe el nombre de lluvia frontal o ciclnica.

MEDICIN DE LA LLUVIA El pluvimetro es un aparato destinado a medir la cantidad de agua cada en una precipitacin, ya sea en forma de lluvia, nieve o granizo. La precipitacin est referida, como en el caso del evapormetro, a la cantidad de litros o milmetros cados por metro cuadrado, ya que una altura de 1 mm en una superficie de 1 m2 supone exactamente 1 litro o 1000 cc. 19 Depsito L Cualquier recipiente de boca ancha, cuya superficie sea conocida puede servir como pluvimetro; no obstante, pueden introducirse ciertos perfeccionamientos, y para ello se describe el modelo Hellmann, de uso oficial en la mayora de observatorios. Consiste en un recipiente que almacene agua y de un colector que la conduce hasta l, y no es ms que un embudo; todo ello dentro de un tubo cilndrico que evita la evaporacin.

ATENUACIN POR LLUVIA Las ondas de radio que se propagan a travs de una regin lluviosa se atenan como consecuencia de la absorcin de potencia que se produce en un medio dielctrico con prdidas como es el agua. Adicionalmente, tambin se producen prdidas sobre la onda transmitida debido a la dispersin por parte de la energa del haz que provocan las gotas de lluvia, aunque son menores. Depende de la intensidad de la precipitacin (medida en mm/h), de manera que cuanto ms intensa es sta mayor es la atenuacin los radares de banda C sufren una atenuacin media-alta de este tipo y por encima de los 10 cm de longitud de onda los efectos decrecen rpidamente.Se puede expresar la atenuacin como:

Donde los coeficientes k y dependen principalmente de la frecuencia del radar as como de la temperatura y tipo de lluvia. Por lo tanto la atenuacin depende de la longitud del camino del haz que atraviesa una zona con precipitacin pero tambin de la intensidad de sta. Tanto un camino largo con precipitacin de intensidad moderada como un camino ms corto con precipitacin fuerte pueden determinar una atenuacin importante. Para un longitud de onda de 3.2 cm una precipitacin de 50 mm/h atena 5,3 veces ms que una 4 veces inferior. Para 50 mm/h una longitud de onda de 3.2 cm se atena casi 85 veces ms que una de 10 cm. Se observa de esta manera la enorme importancia de la longitud de onda y de la intensidad de la precipitacin en el proceso de la atenuacin por lluvia de la energa emitida por el radar. Aunque la atenuacin causada por la lluvia puede despreciarse para frecuencias por debajo de 5 GHz, sta debe incluirse en los clculos de diseo a frecuencias superiores donde su importancia aumenta rpidamente. La atenuacin especfica debido a la lluvia puede calcularse a partir de la Recomendacin UIT-R 838. La atenuacin especfica a (dB/km) se obtiene a partir de la intensidad de lluvia R(mm/h) mediante la ley exponencial:

Dnde:, k: constantes (ver TABLA I) : Atenuacin especfica (dB/km)R: la intensidad de lluvia(mm/h)En el TABLA 1 se indican los valores de k y , que dependen de la frecuencia, para las polarizaciones lineales (horizontal: H, vertical: V) y para trayectos horizontales. Pueden obtenerse los valores de k y a frecuencias diferentes de las indicadas en el cuadro 1 mediante interpolacin, utilizando una escala logartmica para la frecuencia y para k, y una escala lineal para . Estos valores han sido comprobados y son fiables hasta frecuencias de 40 GHz. De la tabla se deduce que la atenuacin es ligeramente superior para polarizacin horizontal que para vertical. Esto se debe simplemente a la forma que adquieren las gotas de lluvia por el rozamiento durante la cada.

CLCULO DE LA INTENSIDAD DE LA LLUVIA Para el clculo del parmetro de radio-atenuacin la intensidad de la lluvia debe ser expresada en milmetros por hora por lo cual es necesario dividir el promedio mensual de las precipitaciones registradas en el estado Apure entre las horas contenidas en un mes, y multiplicarla por los das que el mes contenga, se debe tomar en cuenta los meses que tengan 30 ,31 28 das en caso que el ao sea bisiesto, este clculo se realiz utilizando la siguiente frmula:

Con la aplicacin de la frmula anterior a la data meteorolgica suministrada por la fuerza area, se obtiene la intensidad de la lluvia en mm/h necesaria para el clculo.Coeficientes de regresin para estimar el valor de la atenuacin especfica

TABLA ISe representan curvas de atenuacin especfica por lluvia en funcin de la frecuencia y para distintos valores de precipitacin. Como puede observarse, la atenuacin especfica crece rpidamente para frecuencias por encima de 10 GHz. Para una tasa de precipitacin de R = 50 mm/h se obtienen valores de atenuacin especfica mayores de 10 dB/km para frecuencias superiores a 30 GHz. Por lo tanto, la lluvia es un problema serio en sistemas de radiocomunicaciones que operen a frecuencias milimtricas.

CLCULO RADIO ATENUACINPara el clculo del parmetro de radio atenuacin del estado Apure, primeramente se deben calcular las constantes de k y , que dependen de la frecuencia, en funcin de calcular estas constantes se considerara que las gotas de lluvia son redondas y caen en lnea recta, para as poder utilizar las siguientes ecuaciones: En el tabla II se indican los valores de k y , que dependen de la frecuencia, para las polarizaciones lineales (horizontal: H, vertical: V) y para trayectos horizontales. Pueden obtenerse los valores de k y a frecuencias diferentes de las indicadas en el cuadro 1 mediante interpolacin, utilizando una escala logartmica para la frecuencia y para k, y una escala lineal para . Estos valores han sido comprobados y son fiables hasta frecuencias de 40 GHz.

Tabla II

INDISPONIBILIDAD DEBIDO A LA LLUVIADATOSPara el clculo de la indisponibilidad por lluvia se requiere informacin sobre la regin geogrfica, frecuencia y distancia del enlace y margen de desvanecimiento FM. DENSIDAD JDensidad instantnea de lluvia J. Se determina en base a la regin geogrfica y se obtiene un valor medido en mm/h. Se trata de la densidad de lluvia que se supera el 0,01% del tiempo anual. LONGITUDClculo de la atenuacin por unidad de longitud en dB/Km. Es proporcional a la densidad de lluvia y a la frecuencia del enlace. EFECTIVA Determinacin de la longitud efectiva. Se trata del dimetro equivalente de la celda de lluvia en funcin de la longitud del enlace. En base a este valor se obtiene el clculo de la atenuacin total por lluvia para la longitud efectiva.ATENUACION Determinacin del valor de atenuacin en dB. Corresponde al 0,01% del tiempo. Se calcula sobre la base del valor del porcentaje de corte (US%) para el margen de atenuacin FM3 dB. Una leve mejora sobre los US puede introducirse mediante el incremento del margen FM3.COMPORTAMIENTO ESTADSTICO DE LA LLUVIAPara la prediccin de la atenuacin producida por la lluvia se necesita informacin sobre las estadsticas de la intensidad de precipitacin. En la Rec. UIT-R PN.837 se proporcionan valores de R excedidos durante determinados porcentajes de tiempo y para distintas zonas hidrometeorolgicas mundiales.

Intensidad de la lluvia excedida (mm/h)SUDAMERICA

Como se mostrar posteriormente, los datos de la tabla II se utilizan para calcular laindisponibilidad por lluviade un sistema de radiocomunicaciones. Por ejemplo, de la tabla II se deduce que para la zona K llueve ms de 42 mm/h durante menos del 0,01% del tiempo. Por lo tanto, si queremos que nuestro sistema presente una disponibilidad del 99,99%, ser necesario realizar el diseo del mismo teniendo en cuenta una intensidad de lluviaR= 42 mm/h a la hora de calcular las atenuaciones.

Clculo de la atenuacin por lluviaLaRec. UIT-R P.530establece el procedimiento para calcular la atenuacin producida por la lluvia a largo plazo. Esta atenuacinA(dB) se calcula como:A= Leff,donde (dB/km) es la atenuacin especfica para la frecuencia, polarizacin y tasa de precipitacin (superada el 0,01% del tiempo) de inters, yLeffes lalongitud efectiva del trayecto. Esta longitud efectiva del trayecto delluvia se calcula a partir de la longitud del trayecto real por medio de unas frmulas indicadas en dicha Recomendacin. En la figura se representa dicha longitud efectiva en funcin de la longitud real para las dos zonas de inters H y K.

Longitud efectiva de un trayecto lluvioso.Luego la frmula anterior proporcionar la atenuacin por lluvia superada el 0,01%, es decir, para un diseo de disponibilidad del sistema del 99,99%. Si se desea calcular la atenuacin excedida duranteotro porcentaje de tiempocomprendido en la gama de 0,001% a 1%, entonces puede utilizarse la siguiente ley exponencial:A(p%) = 0,12 A(0,01%)p0,546 0,043 log10p.Finalmente, conviene indicar que el procedimiento de prediccin indicado anteriormente se considera vlido en todo el mundo, al menos parafrecuencias de hasta 40 GHz ydistancias de hasta 60 km.Clculo de cobertura de un sistema realLos clculos de la atenuacin por lluvia en un radioenlace se utilizan para realizar el diseo de cobertura oalcance del sistema de radiocomunicacionesdado un cierto valor dedisponibilidad o calidad de servicio. Por ejemplo, supongamos un radioenlace funcionando a una frecuencia de 40 GHz con polarizacin vertical. De la tabla I se obtienen unos coeficientesk= 0,310 y = 0,929. Las prdidas de propagacin del sistema sern, en una primera aproximacin, lasprdidas en espacio libre, las prdidas por absorcin atmosfrica y las prdidas por lluvia. Estas prdidas totales se representan en la figura 4 en funcin de la distancia de propagacin y para distintos valores de disponibilidad obtenidos a partir de los datos de la tabla II (supondremos que nos encontramos en la zona K).

Atenuacin de propagacin del sistema para distintas disponibilidades o calidades de servicio.Suponiendo una potencia transmitida de +23 dBm, una ganancia de la antena transmisora de 12 dB, una ganancia de la antena receptora de 30 dB y una sensibilidad del receptor de 75 dBm, se tiene un valor mximo para las prdidas de propagacin de 140 dB. Luego fijando este requisito se puede deducir de la figura 4 el alcance o cobertura de nuestro sistema. En este caso, para unadisponibilidad del 99,99%por ejemplo, se obtiene unalcance de 1,4 km. Este es un valor tpico de cobertura para sistemas MVDS.

FACTORES QUE AFECTAN AL ALCANCE MXIMOLa lluvia y la nieve son los principales factores que afectan al alcance mximo. Cuanto mayor es la intensidad de la lluvia, mayor es la atenuacin de la seal, lo que se traduce en un verdadero reto en los despliegues de larga distancia. Y cuanto mayor es la distancia del enlace, mayor es el efecto de la lluvia sobre la atenuacin. Este tipo de atenuacin se conoce normalmente como atenuacin plana, o desvanecimiento plano, porque el nivel de desvanecimiento es el mismo a todas las frecuencias.

La atenuacin causada por la lluvia aumenta a frecuencias ms elevadas. Por ejemplo, con una tasa de lluvia de 60 mm/h, la atenuacin es:13 dB/km a 38 GHz0,3 dB/km a 6 GHzLa atenuacin es diferente porque las longitudes de onda son diferentes a baja y alta frecuencia:Cuando la frecuencia es elevada, la longitud de onda es pequea y la lluvia atena ms la energa de la onda.Cuando la frecuencia es baja, la longitud de onda es mayor y la lluvia atena solo una parte de la energa de la onda.sta es la razn por la que hoy en da vemos enlaces de alta frecuencia y corta distancia, en el rango de 5 a 20 km, mientras que los enlaces de baja frecuencia y larga distancia pueden alcanzar de 150 a 200 km.Conociendo estos efectos, parece que dimensionar un enlace de microondas es algo tan sencillo como utilizar la intensidad de la lluvia y la frecuencia de transmisin para calcular la mxima distancia que se puede alcanzar. Para frecuencias superiores a 13 GHz es as de sencillo. Si la potencia de transmisin y la atenuacin por causa de la lluvia (en dB/km) son conocidas, es bastante inmediato calcular el alcance mximo.Sin embargo, para frecuencias inferiores a 13 GHz se deben tener en cuenta otros fenmenos de segundo orden que limitan la longitud del enlace. Y dichos fenmenos se deben considerar independientemente de la atenuacin introducida por la lluvia y del valor de la potencia de transmisin.

CONCLUSIONES Los fenmenos como la lluvia originada en la troposfera ejercen gran influencia sobre la propagacin de las ondas, en el estudio realizado se observa que el parmetro de radio atenuacin depende de la intensidad de lluvia registrada en el estado, y del rango de frecuencia en la cual se est trasmitiendo. La intensidad de lluvia para el clculo del parmetro de radio atenuacin de una localidad en especfico debe ser expresada en mm/hora por tanto es necesario aplicar la frmula de conversin para obtener la data de las precipitaciones ocurridas en las estaciones meteorolgicas en las unidades requeridas a fin de utilizar la frmula proporcionada por la IUT.Por otro lado el estudio del parmetro de radio atenuacin es importante para el diseo de radioenlaces ya que se puede lograr la optimizacin de los ya existentes, en funcin de contrarrestar el efecto de la lluvia que altera la propagacin de la energa electromagntica interrumpiendo la transmisin en los mismos.REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS Ramos Francisco, (2005), Clculo de la radio Atenuacin por lluvia en un radioenlace, Espaa, revista GIGATRONIC N 12. BARBOZA Z. (1996).Antenas y Propagacin. Editorial: Universidad de los Andes. Mrida Venezuela. Rec. UIT-R 838:Modelo de la atenuacin especfica debida a la lluvia para los mtodos de prediccin, Ginebra, 1998. Rec. UIT-R PN.837-1:Caractersticas de la precipitacin para establecer modelos de propagacin, Ginebra, 1998.FIEE-UNACPgina 1