Antenas e Propagação de Ondas

Antenas e Propagação de Ondas

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No espaço livre as ondas de rádio propagam-se em linha reta sem influência de obstáculos, como foi estudado. Este modelo, apesar de estar muitas vezes distante da realidade, é de grande utilidade no dimensionamento e análise do enlace.

No caso do sinal transpor obstáculos ou meios com características heterogêneas, fenômenos como reflexão e difração ocorrem, degradando o sinal transmitido.

1. Aspectos Básicos

Composição da Atmosfera

Basicamente a atmosfera é dividida em: troposfera, estratosfera e ionosfera.

o Troposfera: Camada adjacente à superfície terrestre e se estende até uma altitude de aproximadamente 11km. Nesta camada o principal efeito na propagação das ondas de rádio é o da refração, que atua na trajetória das ondas com o aumento da velocidade de propagação devido a elevação da altitude.

o Estratosfera: Camada seguinte à troposfera que estende da altitude de 11km até cerca de 50km. È uma camada estável, porém de pouco interesse para telecomunicações.

o Ionosfera: Vai de 50km até 350km. A ionosfera é utilizada nas faixas de

VLF, LF, MF e HF, quando são aproveitados os efeitos das reflexões e refrações ionosféricas.

Zona de Fresnel Sendo A e B as duas extremidades de um enlace de rádio comunicação, o espaço entre estas pode ser subdividido em uma família de elipsóides, conhecidas como elipsóides de Fresnel, todas com pontos focais em A e B. Qualquer ponto M pertencente ao limiar de uma região satisfaz a relação:

Em que n é um inteiro que representa a ordem da elipsóide.

AB

Figura 4.1. Zonas/elipsóides de Fresnel.

Na figura acima se tem uma visão lateral de uma frente de onda esférica em propagação entre os pontos A e B, e a direita, um conjunto de círculos concêntricos, uma visão frontal da frente de onda. A dimensão de cada circunferência não é aleatória, e representa os pontos entre os quais ocorre variação máxima de fase. As regiões entre cada circunferência são chamadas regiões de Fresnel.

Expandindo-se esta análise a cada plano longitudinal, observa-se que as zonas de

Fresnel geram elipsóides com o transmissor e o receptor em ambos os focos, chamados elipsóides de Fresnel, cujos raios podem ser obtidos pela expressão:

n n d dR

d d

Em que d1 é a distancia AM e d2 a distância MB.

Na prática um enlace é considerado de visada direta, se não existir nenhum obstáculo na primeira zona de Fresnel, isto porque na primeira zona está concentrada exatamente metade da potência que se obteria considerando todas as zonas. O dimensionamento da altura de torres e antenas é baseado no cálculo da percentagem de liberação da primeira zona de Fresnel.

2. Fenômenos da Propagação

Refração e Reflexão

A refração consiste da mudança parcial de direção que sofre a onda eletromagnética ao atingir a fronteira entre dois meios com características eletromagnéticas diferentes. Se a onda atingir esta região em um ângulo reto com a sua superfície, não há refração, porém em qualquer outro ângulo, ocorrerá refração, esta maior ou menor dependendo das características de ambos os meios.

ai ar ai: onda incidente af: onda refratada Meio 1 ar: onda refletida

Meio 2 af Figura 4.2. Refração e Reflexão

O ângulo formado pela normal e a raio refratado é chamado ângulo de refração, enquanto que o ângulo formado pelo raio incidente e a normal é chamado ângulo de incidência. A relação entre estes ângulos é dada por:

sin

Em que, n=c/v (c = velocidade da onda no vácuo, velocidade da onda no meio estudado).

A relação mostrada em (4.3) é chamada lei de Snell. Podemos concluir que a refração ocorre devido a variação de velocidade de propagação da onda em diferentes meios.

Difração A difração ocorre quando uma onda é limitada parcialmente em seu trajeto por um obstáculo. Os efeitos disto é a propagação de apenas frações da frente de onda para regiões além do objeto e/ou situadas na sombra deste, ou a propagação da onda em direções preferenciais. Dois modelos de difração são os observados abaixo.

(a)(b)

Figura 4. 3. (a) Obstáculo parcial e (b) obstáculo com fenda.

O ângulo de difração depende do comprimento de onda incidente. Logo, é possível efetuar a decomposição de uma onda por meio de sua incidência em um obstáculo, resultando em um espalhamento que depende das freqüências que a compõem.

Modelos como os apresentados acima podem ser simulados e o comportamento da onda eletromagnética, bem como as perdas por ela sofridas, podem ser estimadas. Porém, em muitos enlaces de rádio transmissão, tendo em vista a presença de obstáculos naturais e evidentemente o fato que tais obstáculos apresentam formas indefinidas, leva-se em conta o fato da impossibilidade de uma modelagem matemática precisa. Neste caso é útil o uso de modelos existentes, sendo o mais comum o gume de faca.

Este modelo é utilizado para obstáculos íngremes e não arredondados e suas perdas podem ser calculadas segundo a Recomendação P 526-7 da União Internacional de Telecomunicações:

( )( )2( ) 6,9 20log 0,1 1 0,1 dBJ v v v= + − + + − (4.4) Em que v é um parâmetro que depende do raio equivalente de Fresnel.

d dλ

=

Desvanecimento

O desvanecimento ocorre quando um enlace está submetido a condições de elevada atenuação, prejudicando assim a capacidade de comunicação do sistema. Entre as inúmeras causas de desvanecimento estão:

o Atenuações por chuva e outras alterações atmosféricas; o Reflexões especulares; o Obstruções; o Espalhamento; o Efeito Doppler, etc.

As variações de um sinal de radiocomunicações devem ser esperadas. Por exemplo, em certas épocas a região gasosa acima da superfície terrestre pode ser dividida em faixas estáveis, ocorrendo em cada faixa trajetórias múltiplas bem definidas e dependentes da freqüência do sinal.

Em terrenos planos e lisos (lagos e mares) ocorrem reflexões especulares, influenciando de modo significativo o sinal resultante.

Já em comunicações móveis fica mais evidente o efeito Doppler como causa de desvanecimento, uma vez o receptor pode está em movimento. Nestes casos, há mudança no valor da freqüência do sinal resultante.

O desvanecimento pode ser classificado quanto ao tempo de ocorrência como: o Rápido: Quando é causado por situações passageiras e de tempo de duração não comprometedor para a aplicação em questão o Lento: Quando é causado por situações que tendem a se prolongar por tempo indeterminado ou suficiente para comprometer a comunicação.

Ou quanto ao espectro de freqüência do sinal: o Plano ou não seletivo: Quando toda a faixa de freqüência do sinal sofre o mesmo grau de atenuação; o Seletivo: Quando certas freqüências do sinal sofrem diferentes atenuações.

3. Tipos de Propagação

Ondas Troposféricas Na região entre 10km e 20km encontra-se a troposfera. Essa região caracteriza-se por uma alta heterogeneidade e variações acentuadas do índice de refração. Todas estas características, que em outras situações seriam indesejadas, permitem que uma onda propagada em direção a esta camada, sofra consecutivas mudanças de direção até que esta retorne a superfície da terra.

Durante décadas, utilizou-se a transmissão troposférica em longas distâncias, a faixa comum para isso era entre 1GHz e 2GHz. Neste tipo de transmissão era comum a utilização de antenas de alta eficiência, transmissores de alta potência e receptores muito sensíveis e devido a necessidade de ângulos de inclinação muito pequenos, era necessário ainda instalações com visão desobstruída do horizonte. Atualmente, a transmissão troposférica foi substituída por enlaces de satélite.

Ondas Ionosféricas

A onda eletromagnética chega a antena receptora após refletir ou propagar em um trecho da ionosfera, retornando à Terra. Na faixa de baixas freqüências a onda reflete na base da ionosfera, para freqüências ligeiramente maiores, a onda sofre sucessivas refrações até retornar a superfície.

A aplicação deste tipo de propagação vai da faixa de 2MHz até 50MHz, podendose obter alcances de até 4000 km. Nas freqüências entre 30MHz e 300MHz, é possível ocorrer comunicação através do espalhamento ionosférico. Isso ocorre porque um pequena porção da energia transmitida espalha-se na base desta região, ou seja o sinal recebido nestas situações é sempre de baixa potência e o alcance deste tipo de onda é limitado entre 1000km e 2000km.

Ondas Terrestres

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