15.4 Reflexión, refracción y difracción

Sección 15.4 * Reflexión, refracción y difracción
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Esto representa una razón de potencia de
Por consiguiente,
Si todo lo demás es igual, las antenas receptoras más grandes reciben una señal más fuerte
que las antenas más pequeñas. ¿Por qué sucede esto?
15.4
PREGUNTA DE REPASO
DE LA SECCIÓN 15.3
Reflexión, refracción y difracción
Las tres propiedades mencionadas en el título de esta sección deben ser familiares a partir del comportamiento de la luz. Las ondas de radio son idénticas a las ondas de luz excepto por la frecuencia, y debe esperarse que se comporten de forma similar. Su menor
frecuencia se asocia con una longitud de onda más larga, y esto repercute en situaciones
prácticas. Para la reflexión y la refracción, se supone que las superficies que intervienen
son mucho más grandes que la longitud de onda. Si éste no es el caso, ocurre difracción.
Reflexión
En la figura 15.7 se muestra la reflexión de ondas planas desde una superficie uniforme
(reflexión especular). El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, con ambos
ángulos medidos a partir de una línea normal (es decir, perpendicular) a la superficie reflectante. En el caso de las ondas de radio, la reflexión se completa si el reflector es un
Figura 15.7 Reflexión
especular
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Capítulo 15 • Propagación de ondas de radio
conductor ideal. Por supuesto que éste no siempre es el caso, y parte de la onda se propaga una corta distancia en un material con pérdida antes de ser absorbida por completo.
La reflexión también puede tener lugar a partir de los dieléctricos. Por lo común,
parte de la energía se refleja y parte se refracta, pero a veces toda la energía se refleja.
Éste es en realidad un caso especial de refracción, y se considerará en ese contexto.
La superficie reflectora no tiene que estar en un solo plano. En la figura 15.8 se ilustra un reflector diédrico, por ejemplo. Este esquema suele utilizarse para las antenas.
El reflector parabólico, también muy útil en el diseño de antenas, por supuesto, se
muestra en la figura 15.9. Cualquier onda plana que entra a lo largo del eje de la antena
será reflejada de modo que toda su energía pase por un solo punto llamado foco del reFigura 15.8 Reflector diédrico
Figura 15.9 Reflector
parabólico
Sección 15.4 * Reflexión, refracción y difracción
529
flector. Tanto el reflector diédrico como el parabólico se consideran con más detalle posteriormente en este libro, cuando se examinen las antenas.
Las reflexiones no requieren una superficie uniforme. Por ejemplo, las ondas de radio a menudo se reflejan desde la tierra. En la figura 15.10 se muestra lo que pasa con
estas reflexiones difusas. Los ángulos de incidencia y reflexión para cada parte de la superficie son iguales, como antes, pero como cada parte tiene una orientación distinta, se
dispersa la onda reflejada.
Figura 15.1O Reflexión difusa
Refracción
Una transición de un medio a otro a menudo produce una flexión, o refracción, de las
ondas de radio, como sucede con la luz. En óptica, los ángulos que intervienen están
dados por la ecuación de Snell:
«! sen 1 = n2 sen 2
donde
Ql
62
nl
n2
(15.24)
= ángulo de incidencia
= ángulo de refracción
= índice de refracción en el primer medio
— índice de refracción en el segundo medio
En la figura 15.11 se muestra cómo se miden los ángulos. Una vez más, se miden desde
una línea normal a la superficie y no desde la superficie en sí.
Figura 15.11 Refracciones
53O
Capítulo 15 • Propagación de ondas de radio
Ahora, si la ecuación de Snell funciona para ondas de radio (y así es), ¿cómo se determina el índice de refracción? En realidad esto es bastante simple: para un medio
específico,
donde
jjir = permeabilidad relativa del medio
er = permisividad relativa del medio
Puesto que juir casi siempre es 1 para el medio de interés, en términos prácticos
Al sustituir la ecuación (15.26) en la ecuación (15.24), se obtiene
EJEMPLO 1Sm7 Una dnda de radio se mueve ^í^^^^j^^^i
(€r = 7 J). Su ángulo de incídeaciaes 30°, ¿G^ál es 4 ^¿tó ¿fe^^p^
Solución De la eenación (15.27),
El insultado se teqüf ja en la igiim 15.12
Figura 15.18
Sección 15.4 • Reflexión, refracción y difracción
En este ejemplo se observa que cuando una onda entra a una región con una constante dieléctrica más alta y, por consiguiente, una menor velocidad de propagación, se
curva hacia la normal. Para recordar esto considere un frente de onda perpendicular a la
dirección de desplazamiento, como se ilustra en la figura 15.13. Cuando este frente de
onda entra a un medio más lento, la parte que entra al medio disminuye su velocidad,
causando que todo el frente gire hacia la normal, como se muestra en la figura 15.13(a).
Por otro lado, si el segundo medio tiene una constante dieléctrica menor (y una velocidad
de propagación mayor), la onda se deflexiona o desvía lejos de la normal, como se observa en la figura 15.13(b).
Figura 15.13
Refracción como una función de la constante dieléctrica
En casos extremos, donde el ángulo de incidencia es grande y las ondas viajan hacia
una región de constante dieléctrica considerablemente más baja, el ángulo de refracción
puede ser mayor que 90°, así que la onda sale del segundo medio y regresa hacia el primero. En estas circunstancias, la refracción se vuelve una forma de reflexión llamada reflexión interna total. En la figura 15.14 se muestra un ejemplo. El ángulo de incidencia
que origina un ángulo de refracción de exactamente 90° (para que la onda se propague
Figura 15.14 Reflexión interna total Ángulo crítico
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Capítulo 15 • Propagación de ondas de radio
a lo largo de la frontera entre los dos medios) se conoce como ángulo crítico y está dado por
La reflexión interna total se encuentra en fibras ópticas. La luz se refleja de la frontera entre el núcleo de la fibra y un material de revestimiento con menor índice refractivo. En la figura 15.15 se muestra la idea básica, que se amplía en el capítulo 24.
Difracción
Figura 15.15 Fibra óptica
Es común decir que la luz viaja en línea recta, pero en ocasiones al parecer da vuelta. Este
fenómeno es resultado de la difracción, y hay numerosos ejemplos de su uso en óptica
(por ejemplo, las rejillas de difracción). La difracción también ocurre con las ondas de
radio y, por ejemplo, permite la recepción desde una antena transmisora en el lado opuesto de una montaña.
En la figura 15.16 se ilustra la difracción. El efecto de la difracción se describe suponiendo que cada punto en un frente de onda actúa como una fuente isotrópica de ondas
de radio. Por consiguiente, algunos de los frentes de onda que pasan a un lado o arriba de
una obstrucción irradian hacia el área detrás de ésta.
Figura 15.16 Difracción
La difracción es más pronunciada cuando el objeto que la causa tiene un borde afilado, es decir, cuando sus dimensiones son pequeñas en comparación con la longitud
de onda.
PREGUNTA DE REPASO
DE LA SECCIÓN 15.4
Explique por qué la reflexión interna total es posible cuando la radiación viaja de un medio
de índice de refracción mayor a uno con menor índice refractivo, pero no cuando la radiación
viaja en la otra dirección.