Unidade I - Produção e Propagação de Ondas Eletromagnéticas

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1 Unidade I - Produção e Propagação de Ondas Eletromagnéticas 01 - Canal em radio comunicações é o espaço físico existente entre as antenas transmissora e receptora Quando uma potência propaga livremente no espaço, diz-se existir uma irradiação e ocorre na forma de ondas eletromagnéticas Espaço livre é o espaço que não interfere com a irradiação normal e a propagação das ondas de rádio. É uma concepção teórica A teoria da irradiação eletromagnética foi proposta pelo físico inglês James Clearck Maxwell em 1857 e concluída em 1873, sendo uma explanação de fundo matemático do comportamento das ondas eletromagnéticas Ondas eletromagnéticas são oscilações perpendiculares à direção de propagação, que propagam à velocidade da luz, vc = c = 3 x 108 m/s. É composta por dois campos, elétrico e magnético, perpendiculares entre sí e a direção de propagação Frente de ondas é o plano de união de todos os pontos de mesma fase, logo de mesma intensidade Densidade de potência - Ρ - é a potência irradiada por unidade de área. A área a ser considerada é a de uma esfera. Pt Ρ= 4 π r 2 W / m Fonte isotrópica é uma fonte que irradia uniformemente em todas as direções. É, também, uma concepção teórica Pela definição de densidade de potência, podemos concluir que no espaço, atmosfera, a densidade de potência diminui com o aumento da distância até a fonte segundo uma lei quadrática As intensidades dos campos elétrico e magnético são fatores importantes no estudo das ondas eletromagnéticas e são definidos por: Ε - intensidade de campo elétrico [ V / m ] Η - intensidade de campo magnético [ A / m ] 11 - Impedância característica - Ζ - expressa a dificuldade encontrada pela onda eletromagnética em propagar em um determinado meio. Ζ = µ ε Ω Telecomunicações WJR / 99 1

2 µ - permeabilidade do meio ε - permissividade do meio µ ar - 4 π x 10-7 H/m ε ar - 1 / ( 36 π x 10 9 ) F/m Ζ ar = 120 π = 377 Ω 12 - Pela equação da intensidade de campo vê-se que ela varia inversamente proporcional à distância à fonte. ε = 30 P r V T / m 13 - Polarização refere-se à orientação física da onda irradiada no espaço Polarização linear - uma onda é dita linearmente polarizada se todas as ondas apresentam o mesmo alinhamento ou fase no espaço A classificação da polarização de uma onda é feita segundo a direção do campo elétrico em relação à superfície de propagação Tipos de polarização Vertical - o campo elétrico está perpendicular à superfície de propagação. Horizontal - o campo elétrico está paralelo à superfície de propagação. Circular - o campo elétrico gira continuamente em relação à superfície de propagação. Elíptica - o campo elétrico gira continuamente de forma a uma saca rolha em relação à superfície de propagação. Transmissão e Recepção 01 - Se uma corrente de rádio freqüência circula em um condutor, parte da energia será transformada em onda eletromagnética Se um condutor é colocado no campo de uma onda eletromagnética, uma corrente induzida resultará neste condutor O processo de recepção é o inverso do processo de transmissão, logo as antenas transmissora e receptora são intercambiáveis, a parte da potência manipulada. Princípio da Reciprocidade. Absorção e Atenuação 01 - No espaço livre a absorção das ondas eletromagnéticas não ocorrem porque nada existe para absorvê-las. Telecomunicações WJR / 99 2

3 02 - Na atmosfera parte da energia das ondas eletromagnéticas será transferida aos átomos e moléculas, provocando vibrações e a atmosfera será aquecida de um valor infinitesimal, mas significante A atenuação da onda eletromagnética, expressa em decibéis, é dada pela expressão: α P r2 = αe = 20 log r onde r 2 > r 1 sendo as distâncias até a fonte. 1 [ ] db Efeitos do Meio Ambiente 1 - reflexão 2 - refração 3 - Interferência 4 - Difração Reflexão 01 - Apresenta similaridade com a reflexão da luz por um espelho O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência. θ i = θ r 03 - O raio incidente, o raio refletido e a normal ao ponto de incidência estão no mesmo plano Coeficiente de reflexão - ρ - é a relação entre a intensidade de campo elétrico da onda refletida e a intensidade de campo elétrico da onda incidente. ρ ε ε = r i 05 - εr εi ocorre absorção de energia ou sua transmissão A transmissão da onda é o resultado de correntes estabelecidas no condutor imperfeito, permitindo a propagação através dele, acompanhado por refração É de importância o vetor campo elétrico seja perpendicular à superfície condutora, senão correntes seriam estabelecidas na superfície, conseqüentemente não haveria reflexões Sendo a superfície condutora áspera, as reflexões ocorrem normalmente, considerando que o ângulo de incidência será uma transgressão do Critério de Rayleigh. Telecomunicações WJR / 99 3

4 Refração 01 - A refração ocorre quando a onda eletromagnética passa de um meio de propagação para outro meio, apresentando uma diferença de densidade Conseqüências: a frente de ondas adquire uma nova direção; a velocidade de propagação final será diferente da inicial A relação entre os ângulos de incidência θi e o ângulo de refração θr poderá ser calculada: QPQ' = θ e PQ' P' = θ i r senθr senθ i PP' PQ = ' ' QQ' = PP vb QQ' = va Lei de Snell PQ ' k - constante dielétrica do meio v - velocidade de propagação no meio µ - índice de refração senθr ka = = 1 senθ kb µ i 04 - Se a variação de densidade é gradual e linear, os raios serão curvados, distanciando da linha normal ao contrário de uma inclinação abrupta A densidade atmosférica varia com a altura, ligeiramente, mas linearmente. Como conseqüência temos que o horizonte das ondas de rádio é ampliado. Interferência 01 - Ela ocorre quando duas ou mais ondas deixam uma fonte e propagam por trajetórias diferentes, chegando a um mesmo ponto receptor Ocorre freqüentemente em freqüências altas na propagação ionosférica, microondas e por ondas espaciais Duas situações são verificadas: se a superfície é um condutor é imperfeito, ocorrerá um cancelamento parcial ou reforço parcial; se a superfície é um condutor perfeito ocorrerá um cancelamento total ou reforço total A sucessão de pontos consistindo de alternados cancelamentos e reforços estabelece um modelo de interferência. Telecomunicações WJR / 99 4

5 05 - As pétalas da flor do modelo de interferência são chamadas de lóbulos e correspondem aos pontos de reforços; os nulos entre os lóbulos correspondem aos pontos de cancelamento Para freqüências inferiores à faixa de VHF a interferência não é significante devido ao grande comprimento de onda ( λ ) de tais sinais. vc λ = = f 07 - Para freqüências na faixa de UHF e acima a interferência aparece ampliada, sendo de grande significância em sistemas de radares e de microondas O ângulo que o primeiro lóbulos faz com a superfície da terra é de grande importância em radares de faixa larga. c f m Difração 01 - Propriedade repetida da ótica, concernente com o comportamento da onda eletromagnética afetada pela presença de uma pequena fenda em um plano condutor ou de forma a delimitar um obstáculo Princípio de Huygens - Todo ponto de uma frente de ondas esférica pode ser considerado como uma fonte de ondas, no qual ondas aparentes são irradiadas mais distantes Por conseqüência, o campo total de sucessivos pontos afastados da fonte é então igual ao vetor soma dessas pequenas ondas secundárias Em uma onda plana o cancelamento das pequenas ondas secundárias ocorre em todas as direções diferente da direção original da frente de ondas, desta forma ela continua como uma frente de ondas plana A difração é de importância em duas situações práticas: primeiro no meio de propagação do sinal por onda espacial, por ser recebida entre edifícios altos, montanhas e outros obstáculos semelhantes; segundo no desenho de antenas de microondas, acontecendo em maior parte na prevenção do estreito feixe de irradiação. Propagação de ondas 01 - A onda eletromagnética propaga em trajetória que não só depende de suas propriedades, mas também são ditadas pelo meio de propagação Freqüências acima de HF propagam em linha reta por meio de ondas espaciais ou ondas tropicais, pois propagam na troposfera. Telecomunicações WJR / 99 5

6 03 - Freqüências abaixo de HF propagam ao longo da curvatura terrestre, uma combinação de difração e de um tipo de efeito igual à propagação nos guias de ondas As ondas terrestres permitem propagação ao redor da curvatura da terra, sendo um dos dois originais meios de propagação além do horizonte As ondas na faixa de HF e freqüências logo acima ou abaixo são refletidas pelas camadas ionosféricas da atmosfera e são chamadas de ondas celestes. Tais sinais são irradiados em direção ao céu e retornam após reflexões, atingindo a superfície da terra além do horizonte Outros modos de propagação além do horizonte são: a difusão troposférica e a comunicação por satélites estacionários. Ondas terrestres ou superficiais 01 - Propagam ao longo da superfície da terra e devem ser verticalmente polarizadas para evitar o curto-circuito do campo elétrico Uma onda induz corrente sobre a superfície na qual ela propaga e, desta forma, parte da energia será perdida; outra forma de perda é devido a difração com a inclinação gradual da frente de ondas Para um máximo alcance de uma determinada transmissão depende de sua freqüência, potência, sendo que na faixa de VLF um alcance insuficiente pode ser melhorado pelo aumento da potência A redução do sinal é causada por demasiadas variáveis tais como salinidade, resistência da terra ou água sobre a qual a onda propaga, vapor d água contido no ar, sendo possível apenas elaborar uma estimativa do alcance. Propagação por ondas celeste - a ionosfera 01 - Em 1925, Sir Edward Appleton com trabalhos experimentais mostrou que a atmosfera recebe energia oriunda do sol para que suas moléculas dissociarem em ions, permanecendo ionizadas por longos períodos. Mostrou também a existência de várias camadas ionizadas, em diferentes alturas, que sob certas condições refletem à terra as ondas de alta freqüência Existem grandes variações nas propriedades físicas da atmosfera, tais como temperatura, densidade e composição Os mais importantes agentes ionizadores são: a radiação ultravioleta, radiações alfa, beta e lambda provindas do sol, bem como os raios cósmicos e meteoros. Telecomunicações WJR / 99 6

7 04 - O resultado final é uma faixa de quadro camadas principais, D, E, F1 e F2, em ordem ascendente, sendo que as duas últimas combinam-se à noite para formar a camada única F A camada D é a mais próxima, existindo a uma altura média de 70 km, espessura média de 10 km, desaparecendo durante a noite. É a camada menos importante do ponto de vista da propagação de HF, refletindo algumas ondas de VLF e LF, absorvendo as ondas de MF e HF A camada E é a seguinte, existindo a cerca de 100 km, espessura média de 25 km, desaparecendo à noite, sendo a razão para seu desaparecimento a desionização da camada, devido a ausência do sol. Sua principal função é uma pequena ajuda na propagação de ondas superficiais em MF e a reflexão de algumas ondas de HF durante o dia A camada ES de alta densidade de ionização as vezes assume a forma de camada E. Chamada de camada E esporádica, quando ocorre persiste durante à noite. Não apresenta importância na propagação a longa distância, mas permite inesperadas recepções à noite. Suas causas não são bem conhecidas A camada F1 existe a uma altura de 180 km durante o dia e combina com a camada F2 à noite. Sua espessura durante o dia é de cerca de 20 km. O efeito principal é de promover maior absorção para as ondas de HF, sendo seu efeito dobrado A camada F2 é em alto grau o meio mais importante de reflexão para ondas de rádio de rádio freqüência. A espessura pode ser superior a 200 km e sua altura varia na faixa de 250 a 400 km durante o dia, descendo a noite onde combina com a camada F1. Sua densidade iônica varia com a hora, temperatura média ambiente e as manchas do ciclo solar A camada F persiste à noite por uma combinação de razões: ela é a mais alta e de maior ionização; suas moléculas ionizadas apresentam baixa velocidade de colisão determinando meios para que a ionização persista por um tempo maior A razão para a melhoria da recepção em HF à noite é a combinação das camadas F1 e F2 em uma camada F e o virtual desaparecimento das outras camadas que tinham absorvido parte da onda durante o dia. Mecanismo de Reflexão 01 - O fato real da reflexão nas camadas ionosféricas envolve o efeito da refração Se a velocidade de variação do índice de refração por unidade de altura é suficiente, o raio incidente eventualmente tornará paralelo à camada, inclinando para baixo e finalmente emerge da camada ionizada a um ângulo igual ao de incidência. Telecomunicações WJR / 99 7

8 Termos e Definições 01 - Altura Virtual - é a distância medida da superfície da terra até o ponto de reflexão especular na camada ionosférica Se a altura virtual de uma camada é conhecida, pode-se calcular facilmente o ângulo de incidência requerido para a onda retornar à terra em um ponto pré-selecionado Freqüência Crítica - para uma dada camada, é a mais alta freqüência que retorna à terra por aquela camada após reflexão direta sobre ela Isso implica que uma freqüência máxima deve existir, acima da qual os valores vão em linha reta através da ionosfera e se perdem no espaço Máxima Freqüência Utilizável - muf - é a mais alta freqüência que pode ser utilizada para comunicações por onda celeste entre dois pontos pré-selecionados na superfície da terra A muf pode variar tremendamente após atividades solares extraordinárias, podendo assumir valores tão alto quanto 50 MHz Distância de Salto - Skip Distance - é a menor distância para uma transmissão, medida ao longo da superfície da terra na qual uma onda celeste de freqüência fixa, maior do que a fc retorna à superfície da terra O trajeto da transmissão é limitado pela distância de salto por um lado e a curvatura da terra a um outro. O maior dos saltos simples é obtido quando o raio é transmitido tangencialmente à superfície da terra Uma trajetória calculada com base na altura constante da camada F2, se a trajetória encontra no caminho a terminação assegura-se que a área receptora será errada, porque a camada F2 sobre o alvo está mais baixa do que a camada F2 sobre o transmissor Fadding - desvanecimento - é a flutuação na intensidade do sinal de um receptor; ele pode ser rápido ou demorado, geral ou seletivo em freqüência, mas sempre é devido a interferência entre duas ondas na qual deixam a mesma fonte mas alcançam o destino por trajetórias diferentes O desvanecimento ocorrerá por interferência entre os raios menor e maior de uma onda celeste; entre as ondas celestes por diferença de lúpulos ou entre a onda terrestre e uma onda celeste, principalmente na parte inferior da faixa de HF; ocorrerá por flutuações na altura ou densidade na camada de reflexão da onda O combate ao desvanecimento é realizado pelo uso de freqüências espaçadas ou diversificação de freqüências ou diversificação em espaço. Telecomunicações WJR / 99 8

9 Onda Espacial 01 - Neste tipo de propagação as ondas caminham em linha reta, sendo limitadas na propagação pela curvatura da terra Este tipo de propagação é semelhante às ondas eletromagnéticas no espaço livre. Horizonte de Rádio 01 - O horizonte de rádio de uma antena é dado com boa aproximação pela fórmula empírica: d t = 4 onde d t é a distância à antena transmissora em km; h t é a altura da antena transmissora em metros. d = d + d = 4 h + 4 h m h t r t r t Propagação de Ondas Espaciais em Microondas 01 - Sabemos que a densidade do ar decresce e o índice de refração aumenta com o aumento da altura em torno da terra O principal requisito para a formação de ductos atmosféricos é o chamado fenômeno de inversão de temperatura, isto é, o aumento da temperatura com a altura em vez do usual decréscimo de 6,2oC/km A super refração é em seu todo mais provável de ocorrer na zona subtropical do que em zona temperada. Propagação por Difusão Troposférica 01 - Ela utiliza certas propriedades da troposfera, a mais próxima porção da atmosfera, dentro de cerca de 15 km acima da superfície da terra As razões para a dispersão não são conhecidas mas existem duas teorias. Uma sugere reflexões por blobs - bolhas - semelhante a dispersão em um refletor; a outra sugere reflexões pelas camadas atmosféricas A potência recebida é muito reduzida, da ordem de um milionésimo a um bilhonésimo da potência incidente no volume comum, sendo que potências da ordem de MW são comuns e necessárias. Telecomunicações WJR / 99 9

10 04 - É empregado para proporcionar telefone a longa distância e outros links de comunicações como uma alternativa para links de microondas ou cabos coaxiais sobre terrenos ásperos ou inacessíveis A tropodifusão está sujeita a dois tipos de desvanecimentos: um rápido com variações na intensidade máxima do sinal atingindo o máximo de 20 db, sendo o pior; o segundo muito vagaroso sendo provocado pelas variações nas condições atmosféricas ao longo da trajetória do sinal Por causa dos desvanecimentos, os sistemas são empregados com espaços diversificados, ou o mais comum a diversificação em freqüência. Sistemas com diversificação quádrupla são encontrados com duas antenas em cada extremidade, separadas por distâncias algo maior do que 30 comprimentos de onda. Figuras Figura 01 - Diagrama de blocos de um sistema de comunicação Figura 02 - Onda eletromagnética transversal no espaço livre. Telecomunicações WJR / 99 10

11 Figura 03 - Frente de onda esférica. Figura 04 - Atenuação atmosférica da onda eletromagnética. Figura 05 - Reflexão da onda eletromagnética. Formação da imagem. Telecomunicações WJR / 99 11

12 Figura 06 - Refração em um plano, claramentre definido a fronteira ou limite Figura 07 - Refração na atmosfera terrestre. Figura 08 - Interferência dos raios direto e refletido pela superfície da terra. Telecomunicações WJR / 99 12

13 Figura 09 - Modelo de irradiação com interferência. Figura 10 - Difração: a - frente de onda esférica; b - frente de onda plana; c- através de um pequeno orifício. Telecomunicações WJR / 99 13

14 Figura 11 - Difração através da borda de um obstáculo. Figura 12 - Espectro de freqüência das ondas eletromagnéticas. Telecomunicações WJR / 99 14

15 Figura 13 - Propagação por uma onda terrestre. Figura 14 - Camadas ionosféricas e suas variações regulares. Figura 15 - Alturas real e virtual de uma camada ionosféricas. Telecomunicações WJR / 99 15

16 Figura 16 - Efeitos da ionosfera em raios de diferentes ângulos de incidência. Figura 17 - Propagação por uma onda celeste em múltiplos trajetos. Figura 18 - Trajetórias da transmissão por uma onda celeste a longa distância: a - norte - sul; b - leste - oeste. Telecomunicações WJR / 99 16

17 Figura 19 - Horizonte de rádio para ondas espaciais. Figura 20 - Super refração em ductos atmosféricos. Figura 21 - Propagação por difusão troposférica. Telecomunicações WJR / 99 17

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