Conformación de haces de antena para el estudio del plasma ionosférico

Abstract

La atmósfera del planeta Tierra constituye uno de los sistemas físicos más complejos conocidos por el hombre. En términos coloquiales se la puede definir como una mezcla de gases que interactúa química, dinámica y electromagnéticamente con el medio que se extiende desde la superficie terrestre hasta los alrededores del Sol. A los propósitos de este trabajo de investigación, interesa la clasificación de la atmósfera terrestre de acuerdo al contenido de electrones libres. De acuerdo a esta última cantidad, la atmósfera terrestre puede ser dividida en dos grandes regiones: la atmósfera neutra, que comprende la región que se extiende desde la superficie terrestre hasta los 50 km de altura aproximadamente, y la ionosfera, región de la atmósfera comprendida entre los 50-60 km de altura y los 1000 km de altura, aproximadamente. Hace más de 80 años que la ionosfera es objeto de análisis, sin embargo, su estudio ha cobrado especial importancia durante el transcurso de las últimas décadas. Durante la década de 1990 y la primera década del siglo XXI el conocimiento de las características físicas de la ionosfera se convirtió en una necesidad de extrema importancia, puesto que la capacidad de predicción de los fenómenos ionosféricos resulta esencial para la optimización de los sistemas de radio-comunicaciones y los de navegación global basados en satélites. Esta necesidad de conocimiento y capacidad de predicción ionosféricas requiere de instrumentación de alta sensibilidad y confiabilidad, así como también de modelos que incorporen los datos medidos por los instrumentos, y de esta manera, logren una predicción precisa de los fenómenos que en ella ocurren. En consecuencia, durante las últimas décadas, gran cantidad de instrumentos han sido desarrollados, mejorados e instalados alrededor del globo. Uno de los instrumentos desarrollados para estudiar la ionosfera es el Radar de Dispersión Incoherente, el cual permite medir una amplia variedad de parámetros ionosféricos además de proporcionar información acerca de las propiedades y el comportamiento de la atmósfera neutra en general. El estado actual de la tecnología de radares permite el desarrollo de los mismos adoptando el concepto de agrupaciones o conjuntos de antenas (antenna array). Las agrupaciones de antenas se utilizan en multitud de aplicaciones que precisan la síntesis de un diagrama de radiación con especificaciones muy precisas de directividad, ancho de haz o nivel de lóbulo principal a secundario y, además, permiten variar electrónicamente la forma del diagrama de radiación, evitándose el uso de sistemas mecánicos de apuntamiento posibilitando cambios instantáneos de dirección del haz. El aporte de este trabajo de investigación es el estudio y el planteo de bases teóricas para el desarrollo de antenas que conforman una agrupación y que permiten generar un haz orientable electrónicamente. Se estudian disposiciones, métodos de conformación de haz y se analiza su aplicación práctica en un Radar de Dispersión Incoherente aplicado al estudio de la ionosfera. La Tesis aplica la Teoría de los Modos Característicos para el análisis y diseño de las antenas elementales que componen la agrupación de antenas. El análisis de Modos Característicos es un método utilizado en electromagnetismo que brinda información de las posibles características de resonancia electromagnética de una estructura mediante la búsqueda y el examen de los modos propios de la misma, brindando una idea física de las propiedades fundamentales de la radiación de objetos e información valiosa en el diseño de antenas.