ANT Antenas e Propagação

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1 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA CAMPUS SÃO JOSÉ SANTA CATARINA ANT Antenas e Propagação Prof. Ramon Mayor Martins, MEng. ramon.mayor@ifsc.edu.br / mayor@linuxmail.org PARTE 4.0: Propagação de Ondas de RF (Características) Disponível em:

2 4. Propagação de Ondas de RF Introdução 4.2 Características de Propagação Reflexão Refração Difração Absorção Dispersão

3 4.1 - Introdução O seu deslocamento é conhecido como propagação e garante a transferência de energia eletromagnética de um ponto para outro através do meio. Antena Essa onda pode ter direções preferenciais de deslocamento, dependendo das características de sua fonte das propriedades do meio. Disposição Corrente e Tensão Na Antena Sucessão de campos elétrico e magnético que se induzem mutuamente e afastam-se da origem, constituindo a onda eletromagnética Indução no espaço No espaço, o campo magnético criado pela antena induz um campo elétrico no espaço.

4 4.2 Características de propagação: São características da propagação de ondas eletromagnéticas Reflexão Refração Difração Absorção Dispersão Verifique: Faça o download do app: Wifi Solver (Android)

5 4.2 Características de propagação: Quando uma onda encontra a superfície limítrofe entre dois meios de densidades diferentes, uma parte da energia é refletida, outra parte da energia é absorvida pela superfície refletora e uma terceira porção pode penetrar, refratar-se e se propagar no segundo meio. As quantidades de energia envolvidas nesses três processos irão depender, basicamente, da natureza da superfície, das propriedades do material e da freqüência da onda. No caso das ondas EM, a orientação da polarização do campo elétrico em relação à superfície também exercerá influência Verifique: Faça o download do app: Wifi Solver (Android)

6 4.2 Características de propagação: Reflexão -A reflexão das ondas de rádio segue os princípios da reflexão de onda de luz -As ondas de rádio são refletidas por qualquer superfície condutora (ex: metálicos principalmente se o objeto metálico for pelo menos metade do comprimento de onda na frequência de operação.) -A reflexão tb é produzida por outras superfície como a terra e a superfície da agua. -O ângulo de reflexão é igual o ângulo de incidência -O ângulo de incidência é o ângulo entre a linha que chega e a linha perpendicular a superfície refletora. -O ângulo de reflexão é o ângulo entre a onda refletida e a linha perpendicular.

7 4.2 Características de propagação: Reflexão -O sentido do campo elétrico que se aproxima da superfície de reflexão é invertido ao deixar a superfície. -O processo de reflexão inverte a polaridade de uma onda equivale a um máximo de mudança de fase de 180º -Como não existem condutores perfeitos, a reflexão nunca é completa. -Mas se a superfície condutora for um bom condutor (cobre e alumínio) e for grande o suficiente, a maior parte da onda é refletida. -Condutores menos eficientes absorvem um pouco da energia das ondas -Em alguns casos, a onda penetra na superfície refletora

8 4.2 Características de propagação: Reflexão -A superfície terrestre reflete ondas de todas as frequências. As baixas frequências possuem grande penetração e as ondas são muito menos refletidas. Em freqüências muito baixas, sinais de rádio podem ser recebidos a até alguns metros abaixo da superfície do mar. Árvores, edifícios, montanhas e outros objetos podem causar reflexões de ondas de rádio. Para as freqüências baixas, e mesmo médias, essas reflexões podem ser desprezadas. Já nas altas freqüências, elas se tornam importantes, sendo o fenômeno, por vezes, aproveitado como base de sistemas eletrônicos, como o radar. Quando o fenômeno é indesejável, como nas comunicações, costuma-se usar antenas direcionais, que, pelo menos, minimizam os efeitos da reflexão Ref:

9 4.2 Características de propagação: Reflexão -Nas freqüências mais altas, ocorrem reflexões pela chuva e por nuvens densas. Também, a onda de rádio de frequência muito alta (VHF), ou superior, pode ser refletida pelos limites bem definidos (frentes) entre massas de ar frias e quentes, quando o ar quente e úmido flui sobre o ar frio mais seco. Se a superfície entre as massas de ar é paralela à superfície da Terra, as ondas de rádio podem percorrer distâncias muito maiores que as normais. Sempre que uma onda é refletida pela superfície terrestre, dá-se uma mudança de fase, que varia com a condutividade do terreno e a polarização da onda, alcançando um máximo de 180º para uma onda polarizada horizontalmente. Ref:

10 4.2 Características de propagação: Reflexão Quando uma onda direta e uma onda refletida chegam ao mesmo tempo a um receptor, o sinal total é a soma vetorial das duas ondas. Se os sinais estão em fase, uma onda reforça a outra, produzindo um sinal mais forte. Se há diferença de fase, os sinais tendem a cancelarse mutuamente, sendo o cancelamento completo quando a diferença de fase é de 180º e os dois sinais têm a mesma amplitude Essa interação tem o nome de interferência de ondas. A diminuição de sinal no receptor devido a essa interação de ondas terrestres e refletidas é denominada fading (desvanecimento). Ref:

11 4.2 Características de propagação: Reflexão Angulo de Brewster: Ângulo de Brewster (também conhecido como ângulo de polarização) é um ângulo de incidência para o qual a reflexão anula completamente a componente paralela da onda em relação ao plano de incidência.

12 4.2 Características de propagação: Reflexão Sob certas condições, uma porção da energia eletromagnética de uma onda de rádio poderá ser refletida de volta à superfície terrestre pela ionosfera (Camada da atmosfera). Ref:

13 4.2 Características de propagação: Refração -Refração é o desvio de uma onda devido a constituição física do meio através do qual a onda passa. -A velocidade da luz é de aproximadamente 300 km/s,no espaço livre (vácuo ou ar). -Sempre que uma frente de onda se propaga por um meio onde ocorre uma variação de densidade, haverá um encurvamento do feixe. -Quando a luz passa através de outro meio, como água ou vidro, ela fica mais lenta. -A variação da velocidade da luz ao entrar ou sair de outro meio faz as ondas de luz desviarem a trajetória. -As ondas de radio são análogas a luz. -Conforme a onda de radio se desloca através do espaço livre, encontra o ar de diferentes densidades, que depende do grau de ionização (causada por um ganho ou perda geral de elétrons). Ref:

14 4.2 Características de propagação: Refração Indice de refração: O grau de desvio depende do índice de refração de um meio n (obtido dividindo a velocidade da luz (ou da onda de rádio) no vácuo pela velocidade da luz (ou onda de rádio) no meio que faz a onda sofrer um desvio. -Como a velocidade de uma onda no vácuo é quase a mesma de uma onda no ar, o índice de refração para o ar é muito próximo de 1. O índice de refração para qualquer outro meio de comunicação será maior do que 1, cujo valor depende do quanto a velocidade da onda é reduzida.

15 4.2 Características de propagação: Refração Indice de refração: O grau de desvio depende do índice de refração de um meio n (obtido dividindo a velocidade da luz (ou da onda de rádio) no vácuo pela velocidade da luz (ou onda de rádio) no meio que faz a onda sofrer um desvio. -Como a velocidade de uma onda no vácuo é quase a mesma de uma onda no ar, o índice de refração para o ar é muito próximo de 1. O índice de refração para qualquer outro meio de comunicação será maior do que 1, cujo valor depende do quanto a velocidade da onda é reduzida.

16 4.2 Características de propagação: Refração Lei de Snell: -A onda incidente a partir de um transmissor se desloca através do ar, onde encontra uma região de ar ionizado que faz a velocidade de propagação diminuir. -A onda incidente tem um ângulo Ɵ1 em relação a lin ha perpendicular a fronteira entre o ar e o ar ionizado. -A onda desviada (refratada) passa para o ar ionizado, e terá uma direção diferente com um ângulo Ɵ2 com relação a perpendicular. -Uma parcela é refratada para a região ionizada e outra parcela é refletida. -A ionização faz o ar ser um condutor parcial.

17 4.2 Características de propagação: Refração Lei de Snell: -para cada meio e para o raio de incidência ou refratado, é constante o produto do seno do ângulo de incidência ou do ângulo de refração e o índice de refração do meio em que este raio se encontra Experimento:

18 4.2 Características de propagação: Refração As ondas eletromagnéticas são refratadas na atmosfera devido a pequenas diferenças de velocidade de propagação, em conseqüência da existência de gradientes de densidade. Na refração ionosférica, as diversas camadas da ionosfera desviam pouco a pouco a trajetória das ondas eletromagnéticas, que retornam à superfície terrestre Nas aplicações práticas de radiocomunicação a incidência das ondas não é vertical, mas sim em ângulo. Neste caso a onda partindo de A, sofre refração continuada ao penetrar na camada ionizada e finalmente seu ângulo é tal que em C ocorre reflexão total, daí ela sofre refração inversa e atinge o ponto B

19 4.2 Características de propagação: Refração Vários e possíveis trajetos de deslocamento das ondas de rádio entre o transmissor e o receptor, devido a refração ionosférica

20 4.2 Características de propagação: Refração Vários possíveis trajetos de deslocamento das ondas de rádio entre o transmissor e o receptor, devido a refração ionosférica

21 4.2 Características de propagação: Refração Os dutos, são regiões onde a energia é aprisionada, confinada e concentrada por efeito de refrações sucessivas, de modo a atingir regiões bem além do horizonte normal Sob condições atmosféricas bastante especiais e pouco freqüentes, poderá ocorrer o fenômeno conhecido como duto de superfície, fazendo com que a onda terrestre atinja distâncias muito além de seus limites normais de recepção. O duto de superfície é formado entre a superfície da Terra e a parte inferior de uma camada de ar dentro da qual existe uma forte inversão de temperatura.

22 4.2 Características de propagação: Absorção A propagação de ondas através de qualquer meio diferente do vácuo é sempre acompanhada de perdas causadas pela absorção de potência pelas partículas do meio. Assim, apenas as ondas eletromagnéticas ao se propagarem no vácuo não são atenuadas pela absorção. As ondas eletromagnéticas, ao se propagarem na atmosfera, são afetadas pela absorção. O vapor-d água e as moléculas de oxigênio existentes na atmosfera são os principais responsáveis pela absorção de energia. Os efeitos da absorção crescem com o aumento da freqüência

23 4.2 Características de propagação: Absorção

24 4.2 Características de propagação: Absorção

25 4.2 Características de propagação: Absorção

26 4.2 Características de propagação: Absorção Em freqüências das faixas SHF e EHF a absorção atmosférica torna-se um problema, além do que existe a difração devido à presença de gotas de água de chuva, moléculas de oxigênio e vapord água (obstáculos de dimensões praticamente iguais aos comprimentos de onda)

27 4.2 Características de propagação: Absorção As ondas terrestres, além de perderem energia para o ar, também perdem para o terreno (figura 34.12). A onda é refratada para baixo e parte de sua energia é absorvida Como resultado dessa primeira absorção, o bordo anterior da onda é curvado para baixo, resultando numa nova absorção, e assim por diante, com a onda perdendo energia gradualmente. A absorção é maior sobre uma superfície que não seja boa condutora. Relativamente pouca absorção ocorre quando a onda se propaga sobre a superfície do mar, que é uma excelente condutora. Assim, as ondas terrestres de freqüência muito baixa percorrem grandes distâncias sobre os oceanos.

28 4.2 Características de propagação: Absorção Ondas refletidas que sofrem mais de uma reflexão perdem energia por absorção quando de sua reflexão intermediária na Terra. Além disso, as ondas refletidas sofrem absorção quando de sua reflexão na ionosfera, cujo grau depende da densidade de ionização, da freqüência da onda eletromagnética e da altura.

29 4.2 Características de propagação: Difração A difração é um fenômeno que ocorre com ondas acústicas e com ondas eletromagnéticas, bem como, também, com partículas que se comportam como ondas. Difração é a mudança da direção da onda quando a mesma passa junto a um obstáculo. É a dispersão da onda em torno de um obstáculo. Um transmissor emitindo ondas eletromagnéticas, que encontram em sua propagação um objeto opaco. Por trás do obstáculo se formará uma zona de interferência (onde as ondas se sobrepõem, podendo tanto se reforçarem como se cancelarem), enquanto que a parte desobstruída do bordo anterior da onda prossegue em sua direção original. Experimento:

30 4.2 Características de propagação: Difração Seu efeito prático é uma diminuição na potência do sinal na área de sombra, e um padrão perturbado numa curta distância fora dessa área sombreada. A difração tem valor máximo quando o comprimento do obstáculo é igual ao comprimento da onda. A quantidade de difração é inversamente proporcional à freqüência, sendo maior nas freqüências muito baixas. Na zona de sombra o sinal de rádio somente será recebido de forma fraca

31 4.2 Características de propagação: Difração A difração, portanto, é uma outra forma de encurvamento do feixe, que ocorre quando a onda passa pela borda de um objeto opaco (insensível à onda de rádio), a qual causa uma deflexão da onda na direção do objeto. Como o grau de difração é maior nas freqüências mais baixas, a difração é, então, mais significativa para as ondas de rádio, em comparação com as ondas de radar. Assim, por exemplo, ondas de rádio viajando sobre a superfície da Terra sofrem uma difração sobre a sua curvatura, o que, somado à refração, faz com que elas se propaguem além do horizonte geográfico.

32 4.2 Características de propagação: Difração Gume de Faca Fenômeno ocorre qdo a onda é limitada em seu avanço, por um obstaculo que deixa passar somente parcela das frentes de onda -Se algum obstáculo interrompe parte da frente de onda, os radiadores comporão uma nova onda com características de frentes diferente da onda original Este modelo para cálculo é utilizado para obstáculos com um formato que se assemelha a uma faca. (objetos íngremes não arredondados) -Esse modelo produz a perda mais baixa do que qualquer modelo -o gume de faca é o caso extremo (baixo) em termos de perda por difração

33 4.2 Características de propagação: Dispersão Como a forma de onda preserva-se ao longo de todo o percurso, esses meios costumam ser denominados de meios não-dispersivos. Na prática, não existem materiais que satisfaçam exatamente estas condições. Logo, a ausência de dispersão é apenas uma possibilidade teórica ou uma aproximação para os meios reais O caso comum é ocorrerem alterações no formato da onda a medida que se propaga no meio. O fenômeno é conhecido como dispersão, é uma característica indesejável