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. [email protected] / [email protected] PARTE 4_1: Propagação de Ondas de RF (Ondas Terrestres) 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 4.4 Ondas Troposféricas 4.5 Ondas Ionosféricas

3 Introdução As comunicações via rádio são dependentes das condições de propagação A propagação de ondas eletromagnéticas em torno da Terra é influenciada pelas propriedades do solo e da atmosfera. A Terra é um corpo não homogêneo cujas propriedades eletromagnéticas variam consideravelmente de um ponto para o outro. A água do mar é altamente condutora As areias dos desertos são dielétricos, apresentando condutividade quase nula e dissipando energia.

4 Introdução Na atmosfera superior aparecem regiões com elevado grau de ionização e, por conseguinte, elevado número de elétrons livres. A ionosfera comporta-se como um meio altamente condutor numa grande faixa de freqüências nas quais as ondas que a atingem são refletidas e retornam a superfície terrestre. Suas propriedades são fortemente influenciadas pelo Sol

5 4.3 Tipos de Propagação A energia irradiada por uma antena transmissora pode alcançar a antena receptora por vários trajetos, onde são apresentadas as faixas de freqüências de utilização

6 4.3 Tipos de Propagação A propagação das ondas eletromagnéticas podem ser:

7 4.3 Tipos de Propagação Tipos de propagação por faixa de frequência

8 4.3 Tipos de Propagação Tipos de propagação e distância

9 4.3 Tipos de Propagação Tipos de propagação e distância

10 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 4.4 Ondas Troposféricas 4.5 Ondas Ionosféricas

11 4.4 Ondas Terrestres A propagação por onda terrestre compreende os tipos de rádio transmissão que não utilizam a reflexão pela ionosfera Diferentes direções de deslocamento podem ser seguidas pelas ondas terrestres (direta do transmissor ao receptor, refletida ou conduzidas pela superfície da terra. Costuma-se separar essas ondas em dois tipos predominantes. O primeiro deles é a onda de superficie, guiada ao longo do contorno da Terra: f < 3 MHz, ex: MF e o segundo é representado pela onda espacial, que percorre a região logo acima da superfície do solo: VHF, UHF, SHF

12 4.4 Ondas Terrestres A propagação por onda terrestre compreende os tipos de rádio transmissão que não utilizam a reflexão pela ionosfera A intensidade de campo das ondas terrestres depende de certos fatores como: potência do transmissor, características da antena transmissora, frequência, difração das ondas, face da curvatura terrestre, características elétricas (condutibilidade e constante dielétrica), Localização do terreno, direção de transmissão, alem das condições meteorológicas locais como, por exemplo: o grau de umidade do ar. A intensidade de campo das ondas terrestre que atingem o receptor depende, em sua maior parte, de alguns desses fatores.

13 4.4 Ondas Terrestres Alem disso, como a terra se comporta como um semicondutor e, devido o contato com sua superfície, parte da energia irradiada pela onda é absorvida e rapidamente dissipada sob a forma de calor. Por essa razão é que: As perdas sofridas na transmissão por ondas terrestres são muitas vezes excessivas E sua utilização ser limitada geralmente às comunicações a distancia moderadas (algumas centenas de quilometros) em frequencias baixas

14 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 4.4 Ondas Troposféricas 4.5 Ondas Ionosféricas

15 4.4 Ondas Terrestres Onda Superficial Faixa: f < 3 MHz (MF) A onda de superfície representa a parcela do campo irradiado que se propaga ao longo do contorno da Terra, como se estivesse acompanhando uma estrutura física que a confinasse na regiao Essa transmisao não é importante em frequencias altas, superiores a alguns MHz, uma vez que os sinais são rapidamente atenuados. A comunicação com ondas de superfície é útil, por exemplo, nos sistemas de radiodifusão em frequências abaixo de 3 MHz, empregando polarização vertical. A onda superficial é a componente da onda terrestre mais afetada pela condutibilidade e pela constante dielétrica da terra, tendendo, por isso, a acompanhar a curvatura terrestre.

16 4.4 Ondas Terrestres Onda Superficial A componentes superficial não se prende, normalmente, a superficie da terra, estende-se a alturas consideráveis diminuindo, no entanto, a intensidade de campo com a altura. Uma vez que parte de sua energia é absorvida pela terra, a intensidade da onda superficial será tanto mais atenuada quanto maior for a distância. A atenuação será em função da condutibilidade da superfície terrestre por onda a onda se desloca.

17 4.4 Ondas Terrestres Onda Superficial Uma ilustração para o campo eletromagnetico da onda de superficie está na figura ao lado, admitindo polarização vertical. Se o solo fosse um condutor perfeito, é evidente que o campo elétrico deveria ser exatamente perpendicular a sua interface no ar. Entretanto, embora em baixas frequencias o solo seja um condutor razoável, esta longe da situacao ideal. Entao, inevitavelmente, tem-se uma componente de campo eletrico tangenciando a superfície O campo elétrico resultante passa a ser ligeiramente inclinado em relação a superfície do solo, fenômeno conhecido como tilt. Na propagação sobre a Terra, a inclinação contará também com uma parcela devido à difração na superfície esférica.

18 4.4 Ondas Terrestres Onda Superficial A tabela mostra a condutibilidade relativa aos diferentes tipos de superfície A melhor superfície para transmissão da onda superficial é a agua do mar As propriedades elétricas do terreno, que determinam a atenuação da intensidade do campo da onda superficial, variam pouco em função tempo e, consequentemente, este tipo de transmissão tem características relativamente estáveis. Link: [World Atlas Ground Conductivities]

19 4.4 Ondas Terrestres Onda Superficial A componente superficial é transmitida geralmente como uma onda de polarização vertical, permanecendo com essa polarização até uma distância relativa da antena. Tal polarização é usada porque a terra apresenta um efeito de curto circuito, sobre o campo elétrico da onda polarizada horizontalmente, oferencendo resistência a componente vertical. A corrente na terra devida a onda superficial polarizada verticalmente não chega a oferecer curtocircuito para um determinado campo elétrico, mas concorre na manutenção da configuração dos campos, auxiliando a transmissão da energia.

20 4.4 Ondas Terrestres Onda Superficial Quanto melhor a condutibilidade do solo, menor será a absorção de energia das correntes na terra. Já que não existe uma superfície perfeitamente condutora, ou terra ideal, as perdas consequentes vão retardar a extremidade da frente de onda em contato com a terra produzindo um desvio para frente, no sentido de deslocamento, razão pelo qual as sucessivas frentes de onda tem essa inclinação. As correntes na terra indicam que na superfície existe campo elétrico paralelo à mesma e o campo representado na figura é o resultante da sua composição com o irradiado verticalmente. Quanto mais condutora a superfície, menos inclinado será o campo resultante.

21 4.4 Ondas Terrestres Onda Superficial A tabela mostra a variação no ângulo de inclinação com a vertical para as frequência de 20 khz a 20 MHz, propagadas sobre superfície de água do mar e de terreno seco. Aumentando a frequencia, o ângulo de inclinacao tambem aumenta. A 20 MHz, o ângulo de inclinacao é desprezivel sobre o mar, tornando-se maior que 1 o, mas sobre o terreno seco seu valor vai a 35o, acarretando em mudanças sucessivas na polarizacao e, evidentemente, aumentando a atenuação.

22 4.4 Ondas Terrestres Onda Superficial Propagação de onda superficial no mar (água salgada) Ver explicação no quadro: Link: [FMScan]

23 4.4 Ondas Terrestres Onda Superficial Propagação de onda superficial no mar (água salgada)

24 4.4 Ondas Terrestres Onda Superficial Condutividade / Distância / Potência Ref: [RadioWorld]

25 4.4 Ondas Terrestres Onda Superficial Condutividade / Distância / Potência Ref: [RadioWorld]

26 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 4.4 Ondas Troposféricas 4.5 Ondas Ionosféricas

27 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial As ondas espaciais, compreendem a trajetória de propagação acima da superfície. Essa trajetória é constituída pela: Onda direta (VHF, UHF, SHF) Onda refletida (VHF, UHF) A onda direta é formada pela ligação entre a antena transmissora e a antena receptora, sem nenhuma interferência de obstáculos que possam alterar sua amplitude ou modificar sua diretação de propagação. É o caso mais simples de conexão entre duas antenas, separadas de uma distância fixada a partir de parâmetros que garantam a eficiência do enlace. Esse tipo de comunicação é conhecido como Linha de visada. As comunicações via satélite é realizada através da linha de visada, ou seja, ondas diretas. A presença de obstáculos dá origem a reflexões, e parte dessa energia atinge a antena receptora, consistindo na Onda Refletida.

28 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 4.4 Ondas Troposféricas 4.5 Ondas Ionosféricas

29 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Refletida Faixa: VHF, UHF Esta componente, como o nome a indica, é a porção da onda irradiada que atinge a antena receptora após ter sido refletida sobre a terra ou o mar. Para as comunicações entre dois pontos distanciados entre si de alguns kilometros, a onda refletida adquire importância como meio de propagação. Devido a reflexão na superfície da terra, a onda refletida se apresenta com uma inversão de fase de 180o (conforme visto em reflexão). Este efeito é importante para a determinação dos efeitos que ocorrem com a combinação desta com a componente direta ao ser atingido o ponto de recepção. Uma vez que a onda refletida demora mais tempo no deslocamento para chegar ao ponto de destino, isto resultará em uma diferença de fase acima ou abaixo de 180o

30 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Refletida Verifica-se que as ondas emitidas em igualdade de fase assim continuam até o ponto em que há a reflexão da componente refletida. A partir deste ponto as frentes de onda ficam defasadas de 180o e esta defasagem será pouco a pouco dilatada, à medida que aumentar o percurso da onda refletida. Quando a componente refletida atingir o solo com um pequeno ângulo de incidência, a diferença de percurso será menor. A onda refletida que atingir a antena receptora, aproximadamente à 180o fora de fase com a onda direta, acarretará uma anulação na energia do sinal resultante. Este efeito de anulação pode ser diminuido aumentando-se a altura das antenas, pois isso irá variar a diferença de fase entre as ondas direta e refletida e, consequentemente, o grau de atenuação do sinal.

31 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 4.4 Ondas Troposféricas 4.5 Ondas Ionosféricas

32 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Faixa: VHF, UHF, SHF A onda direta é a componente da onda terrestre que se desloca diretamente da antena transmissora para a receptora. É limitada somente pela distância ao horizonte Apresenta alcance praticamente visual a partir da antena transmissora. Isto significa que as antenas transmissora e receptora devem ter alturas suficientes para possibilitarem visada direta entre si, acima dos obstáculos existentes e da própria curvatura da Terra Este alcance pode ser ampliado aumentando-se a altura das antenas transmissoras e receptora, aumentando efetivamente, a linha do horizonte

33 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Faixa: VHF, UHF, SHF A intensidade do campo elétrico de uma onda direta varia inversamente com relação ao alcance da transmissão. A figura mostra o aumento da atenuação com o aumento da distância. Como exemplo, observa-se que para uma onda de 10 MHz, 1 Watt de potência irradiada, sofre uma atenuacao de mais de 80 db em um percurso de 25 milhas. Verifica-se tambem que a atenuacao aumenta quando aumenta a frequencia de transmissão mantendo-se constante a distância. A onda direta não é afetada pela terra e nem pela sua superfície, sujeitando-se, no entanto, aos efeitos da refração na troposfera, entre o transmissor e o receptor. Tal refração é importante quando se considera as frequencias muito altas (VHF)

34 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Relação frequência x distância

35 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Enlace de altura diferente: Direcionamento de um enlace Ponto a Ponto com alturas diferentes ângulo de tilt

36 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Horizonte de Rádio: Define-se como radiohorizonte, a linha de horizonte com radiovisibilidade para um transmissor ou receptor. Leva-se em conta a curvatura terrestre e a refraçãoatmosférica. A equação abaixo, indica a máxima distância entre um transmissor e um receptor,em função da altura das antenas para que haja radiovisibilidade

37 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Horizonte de Rádio: Define-se como radiohorizonte, a linha de horizonte com radiovisibilidadepara umtransmissor ou receptor. Leva-se em conta a curvatura terrestre e a refraçãoatmosférica.

38 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Zona / Elipsóide de Fresnel Fresnel estabeleceu que a quantidade de energia transmitida ao longo do espaço livre e recebida em um determinado ponto, ao longo da trajetória, está contido no volume de um elipsóide cujo tamanho depende do comprimento da onda e da distancia entre tx e rx. *Em seguida será apresentado diversas formas que apresentam o mesmo resultado de se calcular as zonas de Fresnel.

39 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Zona / Elipsóide de Fresnel -O Raio da e-nésima zona de Fresnel é dado por:

40 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Zona / Elipsóide de Fresnel -O Raio da e-nésima zona de Fresnel é dado por:

41 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Zona / Elipsóide de Fresnel A primeira zona corresponde a 95% do sinal, as outras zonas são responsaveis por 5% do sinal -é recomendado que, para uma transmissão sem perdas consideráveis, que 60% da primeira zona de fresnel esteja totalmente livre

42 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Zona / Elipsóide de Fresnel A primeira zona corresponde a 95% do sinal, as outras zonas são responsaveis por 5% do sinal -é recomendado que, para uma transmissão sem perdas consideráveis, que 60% da primeira zona de fresnel esteja totalmente livre

43 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Cálculo do Raio de Fresnel: O raio da seção reta circular da primeira zona de Fresnel em um ponto definidopelas distâncias D1 e D2 a partir das antenas na trajetória da visada do rádioenlace pode ser calculado como se segue: Verificar as obstruções da primeira zona e as perdas causadas pelas mesmas. Se o elipsóide de Fresnel estiver livre de obstruções é propagação no espaço livre

44 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Cálculo do Raio de Fresnel: Tamanho da 1a Zona de Fresnel para as frequências: 900 MHz, 2.4 GHz e 5.8 GHz

45 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Zona / Elipsóide de Fresnel LOS Line of sight: área aberta, livre de obstáculos, e com todos os equipamentos visíveis nlos Near Line of Sight: Quase Linha de Visada : a 1ª zona de Fresnel esta ultrapassando o limite de 40% de obstrução NLOS Non Line of Sight: Sem linha de visada: não existe linha visual entre os equipamentos.

46 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Refração/ Raio Terrestre Equivalente/Fator K: -Devido à refração as ondas de rádio não se propagam realmente em linha reta. A trajetória das ondas é dependente da refratividade em cada ponto ao longo do caminho percorrido. Uma análise da liberação do feixe é facilitada se uma das curvas é mapeada como linha reta e a outra corrigida com uma curvatura extra como compensação. Portanto: O Raio efetivo da terra é o raio real multiplicado por um Fator K, que é dependente da refratividade

47 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Refração/ Raio Terrestre Equivalente/Fator K: -Para analisar a propagação das ondas de rádio na atmosfera, usa-se o artifício de considerar o feixe sem curvatura, aumentando o raio da Terra. -Desta forma, tem-se o feixe representado em linha reta e a curvatura da Terra diminuída (raio aumentado) o novo raio da terra é chamado de raio equivalente; -A correção da curvatura da Terra (raio equivalente) é realizada com a aplicação do fator K

48 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Refração/ Raio Terrestre Equivalente/Fator K: -A condição de visibilidade entre as antenas de um enlace de rádio depende do valor do Fator K da Terra. A condição de visibilidade difere da de visibilidade geométrica e está associada aos chamados elipsóides de Fresnel. Esta redução efetiva da curvatura da Terra é expressa pelo fator "K" de equivalência do raio da Terra. Fator K é portanto: A razão entre os raios efetivo e real da Terra. Parâmetro utilizado no dimensionamento das alturas das antenas e análise do perfil do enlace

49 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Refração/ Raio Terrestre Equivalente/Fator K: O valor do fator K = 4/3 é definido para a atmosfera padrão como uma média no índice de refração na atmosfera (também chamado de Kmédio) -A atmosfera sofre variações de pressão, umidade e temperatura, com isto, o índice de refração tb sofre essas alterações, fazendo com que o fator K varie -Para projetar radioenlaces deve-se sempre corrigir o fator K aplicando 2 fatores K: K médio = 4/3 e o K mínimo (o qual varia em função do comprimento do enlace).

50 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Refração/ Raio Terrestre Equivalente/Fator K: -Em enlaces longos: K mínimo é < 1, diminuído) em enlaces longos e ao aplicarmos este fator, tem-se um estufamento da Terra (raio -Para enlaces longos o fator K determinante será o K mínimo pois ao percorrer um espaço maior, as ondas passam por vários meios distintos em que os índices de refração são variados e neste caso a aplicação do K mínimo aproxima-se mais da realidade do que o K médio. -Em enlaces curtos: K médio = 4/3

51 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Refração/ Raio Terrestre Equivalente/Fator K:

52 4.5 Ondas Terrestres Onda Espacial - Onda Direta Frequências disponíveis no Brasil para implantação de enlaces rádio digitais ponto a ponto

53 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 4.4 Ondas Troposféricas 4.5 Ondas Ionosféricas