Um Canal, em radio comunicações, é o espaço físico existente entre as antenas transmissora e receptora.

Transcrição

1 Um Canal, em radio comunicações, é o espaço físico existente entre as antenas transmissora e receptora. WJR 1

2 Quando uma potência propaga livremente no espaço, dizse existir uma irradiação * e ocorre na forma de ondas eletromagnéticas. IRRADIAÇÃO - Ação de irradiar, difusão ou emissão de raios luminosos em todas as direções. Emissão de energia radiante (como o calor). Transmissão de programas de rádio. Dicionário Michaelis. RADIAÇÃO - Ato ou efeito de radiar. Transmissão de energia através do espaço, em linha reta, à velocidade de até km/s (por exemplo, de luz, de calor, de rádio, ou de corpúsculos livres sempre que não se lhe oponham obstáculos). Dicionário Michaelis. WJR 2

3 Espaço livre: é o espaço que não interfere com a irradiação normal e a propagação das ondas de rádio ou ondas eletromagnéticas. É uma concepção teórica. WJR 3

4 A teoria da irradiação eletromagnética foi proposta pelo físico inglês James Clearck Maxwell em 1857 e concluída em Consiste em uma explanação de fundo matemático do comportamento das ondas eletromagnéticas. WJR 4

5 Ondas eletromagnéticas são oscilações perpendiculares à direção de propagação, que propagam à velocidade da luz, v c = c = 3 x 10 8 m/s. É composta por dois campos, elétrico e magnético, perpendiculares entre sí e a direção de propagação. WJR 5

6 WJR 6

7 Fonte isotrópica é uma fonte que irradia uniformemente em todas as direções. É, também, uma concepção teórica. Frente de ondas é o plano de união de todos os pontos de mesma fase, logo de mesma intensidade. WJR 7

8 Frente de ondas Esférica WJR 8

9 Frente de ondas Plana WJR 9

10 Densidade de potência - Ρ * - é a potência irradiada por unidade de área. A área a ser considerada é a de uma esfera. Ρ = 4 Pt π r 2 W / m 2 P Densidade de potência Pt Potência transmitida r distância do ponto até a fonte Ρ corresponde a letra ρ maiúscula. WJR 10

11 Pela definição de densidade de potência, podemos concluir que no espaço na atmosfera, a densidade de potência diminui com o aumento da distância até a fonte segundo uma lei quadrática. WJR 11

12 As intensidades dos campos elétrico e magnético são fatores importantes no estudo das ondas eletromagnéticas. Eles são definidos por: E - intensidade de campo elétrico [ V / m ] H - intensidade de campo magnético [ A / m ] WJR 12

13 Impedância característica - Z Expressa a dificuldade encontrada pela onda eletromagnética em propagar em um determinado meio. Ζ = µ ε Ω µ - permeabilidade do meio ε - permissividade do meio Z impedância característica WJR 13

14 Impedância característica do Z ar Ζ ar = 120 π = 377 Ω µ ar = 4 π x 10-7 H/m ε ar = 1 / ( 36 π x 10 9 ) F/m WJR 14

15 Intensidade de Campo Por meio da equação da intensidade de campo verifica-se que sua variação ocorre inversamente proporcional à distância do ponto à fonte. ε = 30 P T V / m r ε intensidade de campo elétrico P T Potência transmitida r distância do ponto até a fonte WJR 15

16 Polarização Refere-se à orientação física da onda eletromagnética irradiada no espaço. A classificação da polarização de uma onda eletromagnética é realizada segundo a direção do campo elétrico em relação à superfície de propagação. WJR 16

17 Polarização linear Uma onda é considerada linearmente polarizada se todas as ondas que chegam a um mesmo ponto apresentam o mesmo alinhamento ou fase no espaço. WJR 17

18 Tipos de polarização Vertical - o campo elétrico está perpendicular à superfície de propagação. (Antena vertical Transmissora de AM) Horizontal - o campo elétrico está paralelo à superfície de propagação. (Antena horizontal Receptora de TV) WJR 18

19 Tipos de polarização Circular - o campo elétrico gira continuamente em relação à superfície de propagação. (Antena circular Transmissora de FM) Elíptica - o campo elétrico gira continuamente de forma a uma saca rolha em relação à superfície de propagação. (Antena helicoidal Transmissora em VHF e UHF) WJR 19

20 Transmissão e Recepção Se uma corrente de radiofreqüência 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. WJR 20

21 Transmissão e Recepção 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. WJR 21

22 Absorção e Atenuação No espaço livre a absorção das ondas eletromagnéticas não ocorrem porque nada existe para absorvê-las. ( a P = 0 ) 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. WJR 22

23 Absorção e Atenuação A atenuação da onda eletromagnética, expressa em decibéis, é dada pela expressão: α P = α = E r 20 log r 2 1 [ db] r 2 e r 1 - distâncias até a fonte. r 2 > r 1 WJR 23

24 Absorção e Atenuação WJR 24

25 Efeitos do Meio Ambiente 1 Reflexão 2 Refração 3 Interferência 4 Difração WJR 25

26 Reflexão Apresenta similaridade com a reflexão da luz por um espelho. O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência. q i = q r WJR 26

27 Reflexão O raio incidente, o raio refletido e a normal ao ponto de incidência estão no mesmo plano. WJR 27

28 Coeficiente de Reflexão - r É a relação entre a intensidade de campo elétrico da onda refletida e a intensidade de campo elétrico da onda incidente. ρ = εr εi ε r ε i ocorre absorção de energia ou sua transmissão. WJR 28

29 A transmissão da onda é o resultado de correntes estabelecidas no condutor imperfeito, permitindo a propagação através dele, acompanhado por refração. É importante que o vetor campo elétrico seja perpendicular à superfície condutora, senão correntes seriam estabelecidas na superfície, conseqüentemente não haveria reflexões. WJR 29

30 Sendo a superfície condutora áspera, as reflexões ocorrem normalmente, considerando que o ângulo de incidência será uma transgressão do Critério de Rayleigh. WJR 30

31 Refração 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. WJR 31

32 Refração WJR 32

33 Refração A relação entre os ângulos de incidência θ i e o ângulo de refração θ r poderá ser calculada: QPQ' = θ e PQ' P' = i θ r senθ sen θ r i PP' PQ = ' ' QQ' = PP vb QQ' = va Lei de Snell PQ ' WJR 33

34 Refração Lei de Snell k - constante dielétrica do meio senθr ka = = 1 senθ kb µ i v - velocidade de propagação no meio m - índice de refração WJR 34

35 Refração 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 será ampliado. WJR 35

36 Refração WJR 36

37 Interferência 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, em microondas e por ondas espaciais. WJR 37

38 Interferência Duas situações são verificadas: se a superfície é um condutor imperfeito, ocorrerá um cancelamento parcial ou reforço parcial; se a superfície é um condutor perfeito ocorrerá um cancelamento total ou reforço total. WJR 38

39 Interferência A sucessão de pontos consistindo de alternados cancelamentos e reforços estabelece um modelo de interferência. WJR 39

40 Modelo de Interferência WJR 40

41 Interferência 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. WJR 41

42 Interferência 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 c f m WJR 42

43 Interferência Para freqüências na faixa de UHF e acima a interferência aparece ampliada, sendo de grande importância 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. WJR 43

44 Difração Propriedade repetida da óptica, 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. WJR 44

45 Princípio de Huygens Todo ponto de uma frente de ondas esférica pode ser considerado como uma fonte de ondas, que irradia ondas aparentes mais distantes. Conseqüência: o campo total de sucessivos pontos afastados da fonte é igual ao vetor soma dessas pequenas ondas secundárias. WJR 45

46 Princípio de Huygens WJR 46

47 Difração WJR 47

49 Difração 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. WJR 49

51 Difração A difração é importante em duas situações práticas: Na propagação do sinal por onda espacial, por ser recebida entre edifícios altos, montanhas e outros obstáculos semelhantes; No desenho de antenas de microondas, em parte, na prevenção do estreito feixe de irradiação. WJR 51

52 Propagação de Ondas A onda eletromagnética propaga em trajetória que não depende apenas de suas propriedades, também são ditadas pelo meio de propagação. WJR 52

53 Propagação de Ondas WJR 53

54 Propagação de Ondas Freqüências abaixo de HF propagam ao longo da curvatura terrestre, por meio de uma combinação de difração e de um efeito igual à propagação nos guias de ondas. WJR 54

55 Propagação de Ondas As ondas terrestres permitem propagação ao redor da curvatura da terra, sendo um dos dois originais meios de propagação além do horizonte. WJR 55

56 Propagação de Ondas Freqüências acima de HF propagam em linha reta por meio de ondas espaciais ou ondas tropicais, pois utilizam a troposfera. WJR 56

57 Propagação de Ondas 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. WJR 57

58 Propagação de Ondas Outros modos de propagação além do horizonte são: A difusão troposférica A comunicação por satélites geoestacionários. WJR 58

59 Ondas Terrestres ou Superficiais Propagam ao longo da superfície da terra e devem ser verticalmente polarizadas para evitar o curto-circuito do campo elétrico. WJR 59

60 Ondas Terrestres ou Superficiais 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. WJR 60

61 Ondas Terrestres ou Superficiais Uma determinada transmissão, para um máximo alcance, depende de sua freqüência, potência, sendo que na faixa de VLF um alcance insuficiente pode ser melhorado pelo aumento da potência. WJR 61

62 Ondas Terrestres ou Superficiais A redução do sinal é causada por um grande número de 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. WJR 62

63 A Ionosfera 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. WJR 63

64 A Ionosfera Na atmosfera existem grandes variações em suas propriedades físicas, 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. WJR 64

65 A Ionosfera O resultado final é uma faixa de quadro camadas principais, D, E, F 1 e F 2, em ordem ascendente, sendo que as duas últimas combinam-se à noite para formar a camada única F. WJR 65

66 A Ionosfera WJR 66

67 A Ionosfera 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. WJR 67

68 A Ionosfera 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. WJR 68

69 A Ionosfera A camada E S 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. WJR 69

70 A Ionosfera A camada F 1 existe a uma altura de 180 km durante o dia e combina com a camada F 2 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. WJR 70

71 A Ionosfera A camada F 2 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 F 1. Sua densidade iônica varia com a hora, temperatura média ambiente e as manchas do ciclo solar. WJR 71

72 A Ionosfera 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. WJR 72

73 A Ionosfera A razão para a melhoria da recepção em HF à noite é a combinação das camadas F 1 e F 2 em uma camada F e o virtual desaparecimento das outras camadas que tinham absorvido parte da onda durante o dia. WJR 73

74 A Ionosfera - Mecanismo de Reflexão O fato real da reflexão nas camadas ionosféricas envolve o efeito da refração. WJR 74

75 A Ionosfera 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. WJR 75

76 Termos e Definições 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. WJR 76

77 Termos e Definições 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. (Comunicação via satélite) WJR 77

78 Termos e Definições 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. WJR 78

79 Termos e Definições 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 f c retorna à superfície da terra. WJR 79

80 Termos e Definições WJR 80

81 Termos e Definições 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. WJR 81

83 Termos e Definições No cálculo de uma trajetória, tendo como referência a altura constante da camada F 2, se a trajetória encontra no caminho a terminação assegura-se que a área receptora será errada, porque a camada F 2 sobre o alvo está mais baixa do que a camada F 2 sobre o transmissor. WJR 83

85 Termos e Definições 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 que deixam a mesma fonte mas alcançam o destino por trajetórias diferentes. WJR 85

86 Termos e Definições 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. WJR 86

87 Termos e Definições O combate ao desvanecimento é realizado pelo uso de freqüências espaçadas - diversificação de freqüências - ou utilizar antenas distanciadas - diversificação em espaço. WJR 87

88 Onda Espacial 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. WJR 88

89 Onda Espacial WJR 89

90 Horizonte de Rádio O horizonte de rádio de uma antena é dado com boa aproximação pela fórmula empírica: d t = 4 h d = d + d = 4 h + 4 h m t t r t r onde: d t é a distância à antena transmissora em km; h t é a altura da antena transmissora ou receptora em metros. WJR 90

91 Propagação de onda espacial em microondas É de conhecimento que a densidade do ar decresce e o índice de refração aumenta com o aumento da altura em torno da terra. WJR 91

92 Propagação de onda espacial em microondas O principal requisito para a formação de ductos atmosféricos é o chamado fenômeno de inversão de temperatura. Corresponde ao aumento da temperatura com a altura em vez do usual decréscimo de 6,2 o C/km. A super refração é mais provável de ocorrer na zona subtropical do que em zona temperada. WJR 92

93 Propagação de onda espacial em microondas WJR 93

94 Propagação por Difusão Troposférica Utiliza propriedades da troposfera, a mais próxima porção da atmosfera, dentro de cerca de 15 km acima da superfície da terra. WJR 94

95 Propagação por Difusão Troposférica 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 por camadas atmosféricas. WJR 95

96 Propagação por Difusão Troposférica WJR 96

97 Propagação por Difusão Troposférica 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. WJR 97

98 Propagação por Difusão Troposférica É empregada para proporcionar telefone a longa distância e outros links de comunicações como uma alternativa aos links de microondas ou cabos coaxiais sobre terrenos ásperos ou inacessíveis. WJR 98

99 Propagação por Difusão Troposférica 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; segundo muito vagaroso sendo provocado pelas variações nas condições atmosféricas ao longo da trajetória do sinal. WJR 99

100 Propagação por Difusão Troposférica Por causa dos desvanecimentos, os sistemas são empregados com diversificação em espaços, 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. WJR 100