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_1: Propagação de Ondas de RF (Ondas Troposféricas e Ionosférica) Disponível em:

2 4. Propagação de Ondas de RF Introdução 4.3 Tipos de Propagação 4.4 Onda Terrestre Ondas de Superfície Ondas Espaciais Onda Refletida Onda Direta Regiões da Atmosfera 4.4 Ondas Troposféricas 4.5 Ondas Ionosféricas

3 Regiões da Atmosfera A propagação geralmente ocorre dentro da atmosfera terrestre Esta região consiste de: Oxigênio e Nitrogênio e é dividida em várias camadas, cada uma possuindo características única, sendo elas: Troposfera, Estratosfera, Mesosfera, Ionosfera e Exosfera. A composição é 78% Nitrogênio, 21% Oxigênio, outros gases em pequena quantidade. Link: [Earth Atmosphere Interactive]

4 Regiões da Atmosfera Troposfera (tropos" (girar, misturar), refletindo o fato da turbulência) É a camada mais baixa e está em contato com a superfície da Terra, indo até 16 km de Altitude. Nela ocorrem todas as tempestades e a maioria dos fenômenos meteorológicos. É a camada menos espessa, mas é a mais densa; O ar junto ao solo é mais quente, diminuindo de temperatura com a altitude até atingir -60ºC; A zona limite chama-se tropopausa. Aqui a temperatura mantém-se constante. A Troposfera exerce grande influência nas condições de propagação de ondas eletromagnéticas do tipo terrestre Ref:

5 Regiões da Atmosfera - Estratosfera A estratosfera se estende desde 12 km a 50 km. Onde está a camada de ozônio. Nesta camada a temperatura aumenta de -60ºC a 0ºC. Este aumento deve-se à interação química e térmica entre a radiação solar e os gases aí existentes Nela não há umidade e a temperatura sobe de 2 a 4 o C por km Não existem nuvens devido à reduzida quantidade de vapor d'agua. Sua influência na propagação das ondas eletromagnéticas é irrelevante Ref:

6 Regiões da Atmosfera - Mesosfera Situa-se entre 50 km a 80 km. Trata-se da camada mais fria da atmosfera A temperatura volta a diminuir com a altitude, chegando aos -100o C aos 80 km. A absorção da radiação solar é fraca A zona limite chama-se mesopausa. Aqui a temperatura mantem-se constante. Ref:

7 Regiões da Atmosfera - Termosfera É a camada mais extensa; Começa nos 80Km e vai para além dos 1000Km; Trata-se da camada mais quente da atmosfera; A temperatura pode atingir os 2000ºC; Absorvem-se as radiações solares mais energéticas (energia superior a 9,9 x10-19 J); Subdivide-se em duas partes: a Ionosfera (entre 80 e 550Km) a Exosfera (parte exterior da atmosfera que se dilui no espaço a partir dos 1000Km de altitude). Ref:

8 4. Propagação de Ondas de RF Introdução 4.3 Tipos de Propagação 4.4 Onda Terrestre Ondas de Superfície Ondas Espaciais Onda Refletida Onda Direta Regiões da Atmosfera 4.4 Ondas Troposféricas 4.5 Ondas Ionosféricas

9 4.4 Ondas Troposféricas A onda troposférica é a componente da onda terrestre que sofre refração nas camadas mais baixas da atmosfera Esse efeito aumenta gradativamente em função da umidade, da densidade e da temperatura e, consequentemente, do indice de refração Em alturas de algumas centenas de metros, até 1 km ou mais, coexistem, proximas umas das outras, imensas massas de ar frio e de ar quente, que provocam diferenças bruscas de temperatura e mudanças de densidade. Pode ocorrer que a onda, encontrando camadas com indices de refração diferentes, sofra reflexão ou refração sucessivas e retorne a terra. Neste caso a onda fica confinada entre a superfície terrestre e a camada e, como toda sua energia se concentra no CONDUTO assim formado, seu alcance é maior. Ref:

10 4.4 Ondas Troposféricas A reflexão e a refração troposférica resultante, tornam possíveis as comunicacoes a distancias bem maiores do que poderiam ser obtidas com as ondas terrestres comuns Nas comunicações por onda troposférica, as antenas transmissoras e receptora devem ter o mesmo tipo de polarização, uma vez que a onda troposférica mantem a mesma polarização durante seu deslocamento. Ref:

11 4.4 Ondas Troposféricas A figura A mostra o desvio de cima para baixo de uma frente de onda que penetra numa camada de ar, cuja constante dielétrica e umidade diminuem com o aumento da altura relativa à superficie da terra A figura B mostra o desvio da mesma onda, no sentido de baixo para cima, face condições opostas

12 4.4 Ondas Troposféricas Uma vez que a refração aumenta com a frequencia, a refração troposférica torna-se mais efetiva nas mais altas frequências, assegurando interessantes possibilidades de comunicações acima dos 50 MHz, alem da linha do horizonte. Uma causa muito comum da refração troposférica é a inversão de temperatura A inversão de temperatura resulta, por sua vez, de uma série de causas como: Uma massa de ar quente que atravessa uma massa mais fria; Descida de uma massa de ar aquecida por compressão; Resfriamento rápido da superfície do ar após o pôr do Sol; Aquecimento do ar acima de uma camada de nuvens devido a reflexão dos raios solares em superfície superior das nuvens.

13 4.4 Ondas Troposféricas As comunicações não são estáveis porque os dutos troposféricos não tem tempo certo de duração. E necessário que as duas antenas estejam situadas dentro do conduto para haver comunicação. Se um conduto se forma deixando uma das antenas acima da camada refletora, as comunicações são impossíveis Exemplo: [Youtube VHF Aeroporto JK recebido em Goiania]

14 4.4 Ondas Troposféricas Efeitos da Troposfera Entre os vários fenomenos decorrentes do trajeto das ondas terrestres, dentro da atmosfera terrestre, podem ser destacar: Formação de dutos, Absorção da energia Difusão troposférica Encurvamento normal da onda direta

15 4.4 Ondas Troposféricas Efeitos da Troposfera Formação de dutos Os dutos troposféricos são consequencias de um fenomeno denominado Inversão da temperatura que frequentemente se verifica em certas regioes da terra, como por exemplo: no litoral e nos desertos. Isto ocorre quando massas de ar frio entram em contato com massas de ar mais aquecidas, determinando a inversao de temperatura Como os indices de refração são diferentes em cada massa de ar - em virtude de suas caracteristicas de umidade, pressão e temperatura - forma-se uma superfície de separação entre dois meios. Dependendo de certas condições é possível que na frequência de operação as ondas sejam refletidas de volta, pela superfície separadora. Dois casos podem ocorrer: Dutos Superficial Dutos Elevados

16 4.4 Ondas Troposféricas Efeitos da Troposfera Formação de dutos Dutos Supeficial o duto é formado pela terra e pelas superficies separadora entre as massas de ar. As ondas se refletem nas superficies, confinando-se no interior do duto, alcançando às vezes grandes distâncias, pois a energia é concentrada na direção correspondente, acompanhando inclusive, a curvatura da terra o fenomeno pode ser encarado como a transmissão da energia em um guia de ondas) Somente haverá recepcao se a antena receptora se encontrar no interior do duto, pois nenhuma energia, ou muito pouca, é encontrada fora das superfícies. Aumentando o alcance das ondas, os dutos podem provocar interferências entre enlaces operando em frequências próximas e separadas, em condições normais, pelo horizonte-rádio

17 4.4 Ondas Troposféricas Efeitos da Troposfera Formação de dutos Dutos Supeficial

18 4.4 Ondas Troposféricas Efeitos da Troposfera Formação de dutos Dutos Elevado O fenomeno é basicamente o mesmo, mas ocorre entre superficies separadoras acima da superfície terrestre. As ondas transmitidas do avião não alcançam a antena receptora, abaixo do duto.

19 4.4 Ondas Troposféricas Efeitos da Troposfera Formação de dutos Dutos Elevado

20 4.4 Ondas Troposféricas Efeitos da Troposfera Difusão Troposférica A difusão pode ser considerada como um caso particular da reflexão onde, em virtude da irregularidade da superfície refletora, as ondas refletidas se espalham (difundem) em várias direções. O espalhamento ocorre na baixa atmosfera onde ondas refletidas nas descontinuidades (de indices de refração), se difundem em várias direções devido às irregularidades provocadas por turbulências na troposfera. Uma parcela pequena da energia difundida chega ao receptor, permitindo comunicações estáveis alem do horizonte.

21 4.4 Ondas Troposféricas Efeitos da Troposfera Difusão Troposférica

22 4.4 Ondas Troposféricas Efeitos da Troposfera Absorção Troposférica As ondas de rádio perdem parte de sua energia em interações com cargas elétricas associadas as partículas existentes na troposfera A atenuação é ponderável quando as partículas em questão apresentam dimensões comparáveis ao comprimento de onda na frequência de operação, como no caso das gotas de chuva em precipitação. Outro fator de absorção são os gases existentes na troposfera, como oxigênio, vapor d'agua, cujas moléculas interagem suas cargas elétricas com os campos da onda eletromagnética, perdendo-se energia. As causas da absorção começam a influir ponderavelmente a partir de 10 GHz tornando-se importante parâmetro a ser considerado nas ligações de micro-ondas e instalações de radar na banda X

23 4.4 Ondas Troposféricas Efeitos da Troposfera Encurvamento normal da onda direta

24 4.4 Ondas Troposféricas Indice Troposférico Link: [Indice de dutos troposféricos]