Comunicaciones subacuaticas
Comunicaciones Radio Bajo el Agua
por Llloyd Butler
(publicado en Amateur Radio, en abril de 1987)
Articulo original: http://www.qsl.net/vk5br/UwaterComms.htm
¿ a que distancia podemos comunicarnos bajo el agua del mar o de un lago ? ¿ Cual es la atenuación de la señal ? y ¿ que frecuencias se pueden utilizar ? ¿ Podemos utilizar 1,8 Mhz ? En los siguientes párrafos vamos a intentar responder a alguna de estas cuestiones.
Introducción
Uno se puede preguntar por qué un aficionado a la radio amater podría estar interesado en las comunicaciones submarinas. Bien, podría estar interesado en bucear y crear un enlace de comunicaciones con la superficie, o quizá podría estar interesado en controlar barcos y o crear su propio modelo de submarino. Por otro lado, podría estar interesado en otra área de experimentación porque aquí existe un campo relativamente poco explorado por la comunidad amater, que implica diferentes técnicas de transmisión, diferentes diseños de antenas y diferentes problemas medioambientales del equipo.
El objetivo de este artículo es determinar las características de transmisión de ondas de radio bajo el agua y por ende como la radio amater puede hacer uso de estas características.
El articulo examina las opciones de transmision para la que es la frecuencia más baja de la radio amater (1,8 Mhz) cuando el articulo fue publicado por primera vez. Por supuesto, algunos países ahora tienen una banda amater y la menor atenuación de la LF la abre a nuevas opciones.
CONDUCTIVIDAD DEL AGUA
El agua en su estado puro es un aislante, pero tal y como la encontramos en la naturaleza, contiene sales disueltas y otros materiales que la hacen parcialmente conductora. Cuanto mayor es su conductividad, mayor es la atenuación de las señales de radio que pasan a través de ella.
La conductividad (s) varia tanto con la salinidad como con la temperatura. El agua de mar tiene una alto contenido salino y alta conductividad variando desde 2 mhos por metro en las regiones frías del ártico hasta 8 mhos por metro en las aguas cálidas y altamente salinas del Mar Rojo. La conductividad media del mar normalmente se considera que es de 4 mohs por metro. Lo que significa que en un cubo de 1 metro de lado de agua mar tiene una conductividad de 4 mhos or una resistencia de 0,25 ohms (es inverso).
Lo que llamamos agua dulce tiene menor conductividad y como base de esto, se utiliza una muestra de análisis de agua de Adelaida tomada en 1983. Esta muestra fue tomada de un area principalmente abastecida por el embalse de Barossa y el análisis muestra que las sales totales disueltas son aproximadamente 300mg/litro y la conductividad de 0,0546 mhos por metro. Lo cerca que está ese valor de la media en aguas de ríos y lagos en Australia no es conocido, pero ha sido utilizado como referencia.
ATENUACIÓN
La atenuación de las ondas de radio en el agua( y de hecho, en cualquier medio conductor) aumenta tanto con el incremento de conductividad como con el aumento de la frecuencia. Se puede calcular con la siguiente formula:
Atenuación (alfa) en dB/metro = 0,0173 (raiz cuadrada de...) f (sigma)
donde f = frecuencia en herzios.
y (sigma) = conductividad en mhos/metro.
La figura 1 ilustra la atenuación en función de la frecuencia para el agua de mar y para el agua de Adelaide. La atenuación en agua de mar es muy alta y para comunicarse a cualquier profundidad, es necesario utilizar frecuencias muy bajas (10 a 30 KHz) donde la atenuación es del orden de 3,5 a 5 dBs por metro. La operación en la mas baja frecuencia de la banda amater (1,8 Mhz) se queda fuera de opciones con 46dBs por metro.
(figura 1) Atenuación vs Frecuencia
La potencial operatividad en agua dulce es mucho mejor. Utilizando la muestra de agua de Adelaide, la atenuación a 10Khz es de 0,4 dB, aumentando hasta 5,4 dB por metro a 1,8 Mhz.
REFRACCIÓN o PERDIDA DE CAMBIO DE MEDIO EN LA SUPERFICIE
Cuando una onda electromagnética viaja del aire al agua o del agua al aire, existe una perdida por refracción debido al cambio de medio. La perdida puede ser calculada con la siguiente formula:
Perdida por refracción (db) = -20 log { (7,4586/10 elevado 6) x (raiz cuadrada de f/(sigma)) }
En el agua de mar, esta perdida es muy alta y está entorno a 60 dB para las bajas frecuencias normalmente utilizadas. Si la comunicación se requiere desde la superficie hacia el agua, la perdida puede ser reducida conectando el equipo de superficie a una antena situada bajo la superficie para que la refracción sea eliminada.
La figura 2 ilustra las perdidas por refracción en función de la frecuencia para agua de mar y para agua dulce. se puede ver que la perdida por refracción cae con el incremento de la frecuencia, y en el caso del agua dulce, la perdida cae hasta 27dBs a 1,8 Mhz lo cual lo hace bastante atractivo desde el punto de vista de la radio amater.
(figura 2) Perdidas de refracción agua aire en función de la frecuencía.
LONGITUD DE ONDA EN EL AGUA
La longitud de onda en el agua es una fracción de la misma en el espacio, y se calcula con la siguiente formula:
Longitud de onda (lambda) en metros = 1000 (raiz cuadrada de 10/f(sigma))
La figura 3 muestra la longitud de onda versus la frecuencia. En agua de mar, la longitud de onda a 10KHz es solo de 15,8 metros comparada con los 30Km en el espacio. En agua dulce la reducción de la longitud de onda no es tan dramática pero aún es considerable. A 1,8MHz, la longitud de onda es de 10,1 metros, comparada con los 167 metros en el espacio. La reducción de longitud de onda lleva a unas considerables diferencias en la ingeniería de la antena, dado que un dipolo subacuático a 1,8 MHz seria solo de unos pocos metros de longitud.
(Figura3) Longitud de onda vs Frecuencia
OPCIONES DE TRANSMISION
Cuanto menor es la frecuencia, menor es la atenuación en el agua y mejor su potencial para las comunicaciones. A menos que una banda de frecuencias pudiera ser aprobada para uso amater en la región de la VLF, las opciones de la radio amater están restringidas a 1,8 Mhz siendo en agua dulce. Unos cuantos ejemplos de transmision de esta aplicación serán comentados, y estos se basan en las siguientes presunciones:
1 La potencia radiada es de 0 dBW (referidas a 1 W desarrollado en un dipolo de media onda). Todas las otras medidas serán en decibelios referidas a este nivel.
2 El ancho de banda de recepción = 3 Khz.
3 Nivel mínimo discernible de recepción en la antena receptora = 10 dBs sobre el ruido térmico (KTB) es -153 dBW (para 3KHz de ancho de banda).
4 EL ruido atmosférico a 1,8 Mhz = 35dB sobre KTB (tomadas de los gráficos publicados de ruido) por ejemplo -128 dBW para 3 KHz de ancho de banda.
5 La atenuación en agua dulce = 5,4 dB/metro (de la figura 1 a 1,8 MHz).
6 Perdida de refracción agua/aire = 27 dB (de la figura 2).
La figura 4 muestra al receptor sumergido y al transmisor sobre la superficie. El camino de la señal está sujeto a una perdida por cambio de medio de 27 dB. El ruido atmosférico es también atenuado por la perdida de cambio de medio y el mínimo nivel recibido se calcula por la sensibilidad del sistema receptor (que no es afectado por el ruido atmosférico). La máxima distancia del trayecto bajo el agua serían 23 metros.
(Figura 4) Transmision desde el Aire a Agua dulce.
(Figura 5) Transmisión desde el agua dulce al aire.
En la figura 5 la dirección de la transmision es inverso de modo que el transmisor está sumergido y el receptor está por encima de la superficie. En este caso el mínimo nivel de recepción se establece por el ruido atmosférico (bueno sobre la sensibilidad del sistema de recepción). Debido a esto, la máxima longitud de la transmisión en el agua se queda reducida a 18,7 metros.
En la figura 6 tanto el transmisor como el receptor están sumergidos, eliminando los 27 dB por la perdida por cambio de medio. Esto prolonga la longitud máxima para la trasmisión en el agua hasta 28 metros.
(figura 6) Transmision bajo el agua.
(figura 7) Transmisión por aire una larga distancia y receptor sumergido.
Ahora dirigimos nuestra atención a la transmision en el espacio. Más allá de la distancia de una longitud de onda desde la antena transmisora, la fuerza del campo varía en el espacio inversamente con la distancia: por ejemplo, la señal se atenúa 6 dB cada vez que la distancia se duplica y la atenuación desde una distancia desde la antena igual a una longitud de onda, hasta el punto d es igual a 20 log (d/1).
Refiriéndose ahora a la figura 7, tenemos un transmisor con una potencia de referencia de 0 dBW a 1 vez la longitud de onda, y este punto son 1000 metros (o 6 veces la longitud de onda) desde la superficie del agua. El nivel de potencia en la interfaz aire-agua es -20 log 6 = -15.6 dBW y la transmisión aún es posible durante 20 metros más bajo el agua.
Llevando este tipo de transmisión un poco más allá, ahora examinamos la figura 8. Aquí tenemos tanto al transmisor como al receptor bajo el agua separados 1000 metros. La comunicación sobre esta distancia vía acuática es imposible, pero la señal podría salir del agua cerca del transmisor, viajar por el aire y re-entrar en el agua cerca del receptor. La señal sufriría una perdida de cambio de medio total de 54 dB pero la atenuación a lo largo de 1000 metros está solo limitada al camino aéreo. Por tanto esta es otra técnica por la cual 2 estaciones sumergidas podrían comunicarse a larga distancia, limitados básicamente por la profundidad a la que se encuentren.
(figura 8) transmisión de dos estaciones sumergidas utlizando la via aire para la transmision.
En los ejemplos dados, la distancia real de transmision bajo el agua está limitada de 18 a 30 metros. Esta distancia se puede incrementar utilizando más potencia o reduciendo la frecuencia. Incrementando la potencia radiada a 100 watts tendríamos 20dB de ganancia o un extra de distancia subacuática de 3,7 metros (no demasiado). Si fuese posible tener una frecuencia de 100 KHz, la atenuación sería de 1,28 dB/metro y tomando el ejemplo de la figura 6, la distancia se re-calcularía a un valor mayor de 120 metros. A esta frecuencia, sin embargo, tendríamos una perdida por cambio de medio de 40 dB y en el ejemplo de la figura 4 (el cual incluye la perdida por cambio de medio) la distancia sería menor a 88 metros, pero aún mayor que para 1,8 MHz.
otro punto a considerar, es que el agua de Adelaide no es conocida por su pureza de materia disuelta (o no disuelta) en ella y es posible que el agua de los lagos o los ríos de cualquier otro sitio tengan menor conductividad que la de la muestra de Adelaide.
ANTENAS
El diseño de antenas submarinas está más allá del objetivo de este artículo, pero vamos a comentar unos pocos detalles interesantes. Las referencias publicadas indican que las antenas de bucle (loop antenas), cables largos y dipolos han sido utilizados con éxito bajo el agua a muy bajas frecuencias, dado que sus dimensiones físicas son mucho menores que sus equivalentes en el espacio, en términos de longitud de onda.
Los conductores de la antena está aislados del agua para prevenir el filtrado de corriente al medio, pero aun existe una conducción acoplada al medio que causa que la resistencia a la radiación sea considerablemente baja comparada con su equivalente en el espacio. Una resistencia a la radiación de unos pocos Ohmios aparece para un dipolo de media onda.
También hay una cuestión de polarización y directividad. De acuerdo a Moore(2), un dipolo eléctrico sumergido en horizontal es equivalente en su campo a una antena vertical débil en la superficie. La mayoría de la energía, radiada hacia arriba desde la antena, es refractada en la superficie en una onda que viaja horizontalmente sobre la superficie, polarizada verticalmente. Este fenómeno ayuda a explicar la técnica utilizada en la figura 8 para transmitir señales horizontalmente sobre la superficie del agua y recibirlas con el proceso inverso.
Moore también señala que la atenuación entre un lado de la antena sumergida y el otro, es tan grande que una mayor contribución al campo en cualquier punto es debida principalmente al punto mas cercano de la antena(?). De este modo las coordenadas en el patrón de la antena en un medio conductor carecen de importancia. Por supuesto, hay un punto nulo al final del dipolo y por tanto los dipolos horizontales son mas satisfactorios que los dipolos verticales para la comunicación vía la superficie.
Las antenas utilizadas en el mar hacen uso de la conductividad del mar como elemento real radiante. La señal se acopla tanto al mar vía electrodos o por acoplamiento inductivo desde un bucle aislado. Estas técnicas son posiblemente impracticables para el agua dulce dada su mucho menor conductividad.
AGUA DE MAR
Como se ha comentado antes, la atenuación de las señales de radio en el agua de mar es tan grande que la comunicación más allá de la superficie no es posible a menos que se utilicen muy bajas frecuencias (10 a 30 KHz). Aunque se pudiese obtener permiso para trabajar en esta banda, hay otras dificultades para en aficionado amater.
1. La refracción del aire al agua tiene unas perdidas del orden de 60 a 70 dBs.
2. Se requiere una antena de dimensiones enormes, particularmente para las antenas de la superficie (incluso a 30 Khz, la longitud de onda son 10Km). Normalmente se utilizan mayores potencias de transmision para compensar las grandes perdidas inherentes a una antena de baja frecuencia de tamaño más pequeño.
3 Los picos del ruido atmosférico son de entorno a 160 dB sobre el ruido térmico (KTB) a 10 Khz, limitando el mínimo nivel discernible en recepción.
OTROS MEDIOS CONDUCTORES
Aunque la discusión se ha centrado en la transmision a través del agua, las teorias aqui descritas se pueden aplicar de igual modo a otros medios conductores como la corteza de la tierra. Las aplicaciones tipicas pueden ser radio comunicaciones en cavernas y grutas.
La conductividad de la corteza de la tierra varía ampliamente con conductividades tan bajas que van de 10(-4) y casi 1 mhos por metro, a rocas de baja conductividad con menos de 10(-5) mhos por metro. Claramente, el éxito de las comunicaciones subterráneas dependen de la configuración geológica del terreno circundante.
CONCLUSIONES
La radio comunicación bajo el mar no es una opción atractiva para experimentar por el radio aficionado ya que requiere frecuencias muy bajas, grandes sistemas de antenas y grandes potencias.
Los lagos y ríos de agua dulce tienen mucha menor conductividad eléctrica que el mar y las distancias de transmisión (o profundidades) de hasta 30 metros parecen viables para utilizar la banda de frecuencias de 1,8 Mhz. Incluso de pueden alcanzar mayores distancias si existe una banda disponible de más baja frecuencia aún. (La atenuación a 180 Khz se reduce entorno a 18dB por metro en el agua de mar y a 2,2dB en agua dulce).
En la comunicación entre dos estaciones sumergidas o entre una estación en superficie y otra sumergida se puede obtener distancias mucho mayores utilizando un camino de transmision sobre la superficie y que tolere la perdida por refracción agua-aire.
se pueden mantener comunicaciones subterráneas similares dependiendo de la geología del entorno.
NOTA: desde que este articulo fue publicado por primera vez, unos cuantos países han reservado desde entonces bandas en la región de 130 KHz a 190 KHz, proporcionando un mejor medio de transmision subacuática que los 1,8 MHz.
REFERENCIAS
1 Reference data for radio engineers, ITT Chapter 27. Radio noise and interference.
2 MOORE, RICHARD R. Radio Communications in the Sea, lEE Spectrum, Vol 4, Nov 1967, pp 42-51.
3 HANSEN, R C. Radiation and Reception with Buried and Submerged Antennas, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, May 1963.
4 WATT, LEYDORF and SMITH. Notes regarding possible field strength versus, distance in earth crust wave guides.
SIMBOLOS EN EL TEXTO
s (sigma) - Electrical conductivity (mhos/metre).
f - Frequency (Hertz).
l (lambda) - Wavelength (metres).
dB - Decibels.
dBW - Decibels reference one watt.
a (Alpha) - Attenuation constant (dB/metre).
d - Distance (metres).