2 Conceitos Básicos. 2.1 Atenuação por Chuvas em Enlaces Rádio

Documentos relacionados
3 Formulação Matemática

3 O Canal Rádio Móvel

4 Modelos de Predição de Cobertura

VETORES GRANDEZAS VETORIAIS

Aula Invariantes Adiabáticos

Teo. 5 - Trabalho da força eletrostática - potencial elétrico

CAPÍTULO 04 CINEMÁTICA INVERSA DE POSIÇÃO

FGE0270 Eletricidade e Magnetismo I

UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE Escola de Engenharia. 1 Cinemática 2 Dinâmica 3 Estática

ELETRICIDADE CAPÍTULO 3 LEIS DE CIRCUITOS ELÉTRICOS

Correção da energia de átomos hidrogenóides levando em conta o volume do núcleo

PROVA COMENTADA. Figura 1 Diagrama de corpo livre: sistema de um grau de liberdade (1gdl) F F F P 0. k c i t

Aula 4 Equação do Radar. Capítulo 4 - Battan

Equações de Fresnel e Ângulo de Brewster

Cap. 4 - O Campo Elétrico

UFABC - Física Quântica - Curso Prof. Germán Lugones. Aula 14. A equação de Schrödinger em 3D: átomo de hidrogénio (parte 2)

3. Elementos de Sistemas Elétricos de Potência

Departamento de Física - Universidade do Algarve FORÇA CENTRÍFUGA

Energia no movimento de uma carga em campo elétrico

Experimento 2 Espectro de potência e banda essencial de um sinal. Exercício preliminar. o gráfico de X(f).

. Essa força é a soma vectorial das forças individuais exercidas em q 0 pelas várias cargas que produzem o campo E r. Segue que a força q E

FGE0270 Eletricidade e Magnetismo I

Magnetometria. Conceitos básicos

Medidas elétricas em altas frequências

ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Cap014 - Campo magnético gerado por corrente elétrica

a) A energia potencial em função da posição pode ser representada graficamente como

Eletromagnetismo e Ótica (MEAer/LEAN) Circuitos Corrente Variável, Equações de Maxwell

Componente de Física

1.3.2 TRAÇADO DE RAIOS POR FORÇA BRUTA

7.3. Potencial Eléctrico e Energia Potencial Eléctrica de Cargas Pontuais

Aula 6: Aplicações da Lei de Gauss

REGRESSÃO LINEAR MÚLTIPLA Correlação múltipla

1ªAula do cap. 10 Rotação

4 r. Hcc. ligante. íon central. Modelo Simples de Recobrimento (Chem. Phys. Lett. 87, 27 e 88, 353 (1982) )

E = F/q onde E é o campo elétrico, F a força

Carga Elétrica e Campo Elétrico

INFORMAÇÃO COMPLEMENTAR

n θ E Lei de Gauss Fluxo Eletrico e Lei de Gauss

A dinâmica estuda as relações entre as forças que actuam na partícula e os movimentos por ela adquiridos.

Modelo quântico do átomo de hidrogénio

TRABAJO. Empresa o Entidad Daimon Engenharia e Sistemas Companhia de Eletricidade do Estado da Bahia - COELBA

Gabarito Prova de 3 o Ano 3ª Fase

Quasi-Neutralidade e Oscilações de Plasma

4.4 Mais da geometria analítica de retas e planos

Capítulo 4 Crescimento de gotículas a partir. Difusão de Vapor e Condução de Calor

Material Teórico - Sistemas Lineares e Geometria Anaĺıtica. Sistemas com Três Variáveis - Parte 2. Terceiro Ano do Ensino Médio

ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO. Departamento de Engenharia Mecânica

IF Eletricidade e Magnetismo I

MECÂNICA DOS MEIOS CONTÍNUOS. Exercícios

Mecânica Técnica. Aula 5 Vetor Posição, Aplicações do Produto Escalar. Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

Swing-By Propulsado aplicado ao sistema de Haumea

APÊNDICE. Revisão de Trigonometria

PME 2200 Mecânica B 1ª Prova 31/3/2009 Duração: 100 minutos (Não é permitido o uso de calculadoras)

É o trabalho blh realizado para deslocar um corpo, com velocidade idd constante, t de um ponto a outro num campo conservativo ( )

Campo Gravítico da Terra

CÁLCULO DIFERENCIAL E INTEGRAL II 014.2

Polarização Circular e Elíptica e Birrefringência

LOQ Fenômenos de Transporte I

LUZ COMO UMA ONDA... ELETROMAGNÉTICA 1

Lab. 4 Laboratório de Resposta em Frequência 1

O perímetro da circunferência

NOTAS DE AULA DE ELETROMAGNETISMO

II Transmissão de Energia Elétrica (Teoria de Linhas)

Uma dedução heurística da métrica de Schwarzschild. Rodrigo Rodrigues Machado & Alexandre Carlos Tort

Método da difusão de nêutrons a quatro grupos de energia para reatores nucleares térmicos

Geodésicas 151. A.1 Geodésicas radiais nulas

CONHECIMENTOS ESPECÍFICOS

Seção 24: Laplaciano em Coordenadas Esféricas

DA TERRA À LUA. Uma interação entre dois corpos significa uma ação recíproca entre os mesmos.

LOM Teoria da Elasticidade Aplicada

Vestibulares da UFPB Provas de Física de 94 até 98 Prof. Romero Tavares Fone: (083) Eletricidade. q 3

Lei de Gauss. Lei de Gauss: outra forma de calcular campos elétricos

TRABALHO E POTÊNCIA. O trabalho pode ser positivo ou motor, quando o corpo está recebendo energia através da ação da força.

SISTEMA DE COORDENADAS

CRITÉRIOS GERAIS DE CLASSIFICAÇÃO

Condução Unidimensional em Regime Permanente

Figura 1 Bolas em rota de colisão

Aula 16. Nesta aula, iniciaremos o capítulo 6 do livro texto, onde vamos estudar a estabilidade e o equilíbrio do plasma como um fluido.

MECÂNICA. F cp. F t. Dinâmica Força resultante e suas componentes AULA 7 1- FORÇA RESULTANTE

Série II - Resoluções sucintas Energia

CONCURSO PÚBLICO EDITAL Nº 03 / 2015

No sistema de coordenadas cilíndricas, dado que a geometria a ser estudada é um anular, a equação 2-2 se torna:

SIMULAÇÃO NUMÉRICA TURBULENTA EM SUPERFÍCIE RUGOSA

Áreas parte 2. Rodrigo Lucio Isabelle Araújo

ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Mecânica

Influência do torque residual na deriva do eixo de rotação de satélites artificiais em órbitas circulares

Uma derivação simples da Lei de Gauss

Modelos Cinéticos - I. Para Reações Elementares A + B R. dc dt

ELECTROMAGNETISMO. EXAME Época Especial 8 de Setembro de 2008 RESOLUÇÕES

Electricidade e magnetismo

ESCOLA SECUNDÁRIA JOSÉ SARAMAGO

APOSTILA. AGA Física da Terra e do Universo 1º semestre de 2014 Profa. Jane Gregorio-Hetem. CAPÍTULO 4 Movimento Circular*

ESTUDO DO MOVIMENTO UNIFORMEMENTE ACELERADO DETERMINAÇÃO DA ACELERAÇÃO DA GRAVIDADE

Equações de Fresnel e Ângulo de Brewster

Instituto de Física - USP FGE Laboratório de Física III - LabFlex

Aula 2 de Fenômemo de transporte II. Cálculo de condução Parede Plana Parede Cilíndrica Parede esférica

Teoria clássica das vibrações. Cap 22 ASHCROFT- MERMIN Cap 4 KITTEL

Área projectada. Grandezas Radiométricas

Transcrição:

Conceitos Básicos. Atenuação po Chuvas em nlaces Rádio A pecipitação de patículas atmosféicas (chuva, ganizo e neve úmida) povoca absoção e espalhamento da enegia eletomagnética em popagação, quando o tamanho das patículas é da odem de gandeza do compimento de onda. Além disto, em feqüências elevadas, ocoe absoção po gases atmosféicos, nevoeio e nuvens. As moléculas de vapo d água e o oxigênio são os pincipais esponsáveis pela absoção na atmosfea, sendo cítica a absoção na faixa de 3 GHz pelo vapo d água e 6 GHz pelo oxigênio. O método atualmente ecomendado pelo UIT-R [] pemite calcula as pedas po absoção com uma boa pecisão. Foa destas faixas de feqüência a absoção po gases é pouco elevante e a atenuação po hidometeoos, pincipalmente a chuva, tona-se o pincipal fato limitante de desempenho a se levado em conta no dimensionamento do enlace. A atenuação na enegia popagante cesce à medida que o compimento de onda apoxima-se do tamanho das gotas de chuva, ou seja, quando a feqüência cesce, poduzindo um aumento na atenuação do sinal pela pesença da chuva. As gotas de chuva compotam-se como um meio dissipativo paa o campo elético incidente e, além da absoção, povocam espalhamento da enegia em váias dieções []. A absoção é ocasionada pela dissipação témica da enegia da onda incidente em função da condutividade da água. O espalhamento está associado às modificações na geometia da fente de onda, satisfazendo as condições de contono sobe cada gota [3]. A figua [3] mosta a atenuação específica (db/km) povocada em ondas de ádio pela chuva, nevoeio, oxigênio e vapo d'água. A atenuação po chuvas aumenta com a intensidade da chuva (expessa pela taxa de pecipitação em mm/h) e com a feqüência, até a satuação acima de GHz. A atenuação po nevoeio também cesce com a feqüência e é equivalente à povocada po chuva

Conceitos Básicos muito leve. Já a absoção po oxigênio e vapo d'água apesenta picos acentuados nas feqüências de essonância das moléculas destas substâncias. Os pimeios picos de abosoção estão em tono de 3 GHz paa o vapo d'água e 6 GHz paa o oxigênio. Figua Atenuação po chuvas (A), fog (B) e gases atmosféicos (C) Ao longo do tempo, foam desenvovidas fomulações matemáticas igoosas paa o cálculo da atenuação específica. ntetanto, a utilização destas fomulações necessáias tona extemamente complexo o cálculo da atenuação. Fomulações empíicas altenativas, que expessam a atenuação específica de foma simples, em função da taxa de pecipitação, feqüência e polaização da onda, são as mais utilizadas em aplicações páticas. Ambas as fomulações são descitas de foma esumida na seção seguinte, com maioes detalhes apesentados em Apêndices deste tabalho. O capítulo apesenta ainda os métodos ecomendados pelo UIT-R, paa cálculo da atenuação específica e paa a deteminação da taxa de pecipitação, necessáia paa este cálculo, em qualque egião o mundo.

Conceitos Básicos. Cálculo da Atenuação specífica.. Método Teóico Rigooso O campo médio tansmitido po um espalhado disceto, aleatóio, de compimento l e índice de efação volumético η, é [4-] : jl ( η ) (, t) = e (, t) i (.) iπft onde ( ) ( ) i, t = e é a onda incidente. i Logo, a atenuação (A ), em db, seá: A = log e = log il ( η ) i (, t) (, t) e = log il ( η ) i (, t) ( t) i i i, A = log e il ( η ) i l ( Reη + ) + i Im( η ) = log e [ ] = l Im( η) log e (.) Assim, a atenuação específica, que é definida po γ = A / l, em db, é dada po: A' γ = = Im( η) log e (.3) l substituindo ln e log e = =, tem-se : ln ln ( ) Im η γ = (.4) ln O índice de efação volumético, paa um meio com espalhadoes dispesamente distibuídos, é dado com muita pecisão pelo Teoema do spalhamento Múltiplo como:

Conceitos Básicos 3 π η = i S (, D) N( D)dD (.5) 3 onde S(, D) = i f ( iˆ, iˆ ) eˆ i é a amplitude de espalhamento fontal e N(D)dD é a densidade numéica das gotas de chuva com diâmeto D em um intevalo dd. Utilizando o Teoema do spalhamento Fontal (σ t = Q t (D) = 4π/ Re [S(,D)]) [5] : π π η = i S 3 3, η + (, D) N( D) dd = i { Re[ S(, D) ] + i Im[ S( D) ]} N( D)dD π π = 3 Im 3, [ S(, D) ] N( D) dd i Re[ S( D) ] N( D)dD π Im( η ) = Re[ S( D) ] N( D) (.6), 3 ntão: π 4π Re 3 Im( ) t η 4π A = = = ln ln ln A = ln Q t [ S(, D) ] N( D) dd Q ( D) ( D) N( D) dd = 4,343 Q ( D) N( D)dD t N( D) dd γ (.7) onde : Q t (D) é a Seção Reta de spalhamento Total, de diâmeto D, em cm N(D) é a Distibuição de Tamanho de Gotas de Chuva em m 3 mm

Conceitos Básicos 4.. Caacteísticas dos spalhadoes É azoável assumi que a foma da gota de chuva é esféica, exceto paa chuvas fotes onde a ação da foça gavitacional, aliada ao efeito do vento, faz com que gandes gotas assumam a foma de esfeóide oblato, inclinado em elação à dieção de queda [4]. A distibuição do tamanho de gota de chuva depende da taxa de pecipitação, nomalmente fonecida em mm/h, vaiando ente, e 6 mm, tendo uma dependência com a velocidade e diâmeto da gota. Conhecida a distibuição do tamanho das gotas e sua velocidade teminal de queda, a taxa de pecipitação pode se calculada po: 4 3 7 3 p = 36 π v( a) N( p, a) a da =,5x v( a) N( p, a) a da (.8) 3 onde v(a) é a velocidade final da gota de chuva, em m/s; N (p,a) o númeo de gotas po unidade de volume, m 3 ; a é o aio da gota de chuva, em m. Alguns valoes típicos de taxa de pecipitação paa egião de clima tempeado são :,5 mm/h (gaoa), mm/h (chuva banda), 4 mm/h (chuva modeada), 6 mm/h (chuva fote) e mm/h (chuva extemamente fote). A velocidade final da gota vaia com a altitude, e depende do aio da gota [3, 4] de acodo com a seguinte equação: ( a),8a ( a em metos) v = (.9) A distibuição do tamanho de gotas, N(p,a), é nomalmente uma expessão empíica. Obtém-se uma boa apoximação paa esta distibuição utilizando-se exponenciais negativas. N ( D) = N = (.) ΛD α -β e ; Λ p

Conceitos Básicos 5 Uma expessão mais geal paa a distibuição de gotas seia utiliza a Distibuição Gama Modificada: D ( ) D p Λ N D = Λ e (.) q A distibuição de Laws e Pasons é uma distibuição tabelada e amplamente utilizada paa climas tempeados, emboa a distibuição de gotas seja melho descita po uma distibuição exponencial negativa como a distibuição de Mashall-Palme [-7]. Assim, o ajuste da distibuição de Mashall e Palme desceve, satisfatoiamente, uma chuva estatificada paa um clima tempeado topical, apesa de te uma tendência paa supeestima o númeo de gotas pequenas. Os paâmetos nomalmente utilizados paa a distibuição são N =,8 cm -4 e Λ = 4R -, cm -. Dependendo da faixa de feqüência, ecomenda-se a utilização de mais de uma distibuição, de acodo com o tamanho de gotas consideado. Outo tipo de distibuição é a de Joss et al., que também é uma distibuição exponencial negativa, poém com os paâmetos: N =,4 cm -4 e Λ = 3R -, cm - paa chuva fote (tempoal) [4; 5] e N =,3 cm -4 e Λ = 57R -, cm- paa chuvisco [4; 5]. Consideando climas topicais, cujas taxas de pecipitação são muito altas, uma distibuição log-nomal também pode desceve, satisfatoiamente, a distibuição de gotas [], e seu uso nestes climas é ecomendado paa aplicações em feqüências acima de 3 GHz. A Seção Reta de spalhamento Total, Q t (D), pode se obtida atavés da Teoia de Mie, confome apesentado no Anexo...3 Método empíico Apesa da pecisão do método teóico, seu empego não é pático, pois os cálculos são muito complexos. Po este motivo foi desenvolvida uma solução empíica ajustada ao modelo teóico em questão. Paa aplicações páticas, a

Conceitos Básicos 6 elação ente a atenuação específica [db/km] e a taxa de pecipitação R [mm/h] adotada é a seguinte, poposta po Olsen et al [8]: b γ = ar [db/km] (.) O uso feqüente da elação ar b paa o cálculo da atenuação da chuva devese ao fato da simplicidade desta equação e do cálculo de seus paâmetos po intepolação. Po se tata de uma fomulação empíica, inicialmente os valoes disponíveis dos paâmetos a e b eam expeimentais e disponíveis apenas paa um númeo limitado de feqüências de foma tabelada. ntetanto, pode-se apesenta um equacionamento paa a e b, em função da feqüência, utilizando-se de egessões logaítmicas aplicadas aos cálculos de Mie paa espalhadoes, como mostado no Anexo. stes paâmetos são calculados em função da feqüência, tempeatua e paâmetos da distibuição de gotas de chuva [4]. Paa cada valo de feqüência, distibuição de gota e tempeatua pode-se, atavés de um ajuste po uma egessão logaítmica ente os valoes plotados da atenuação e taxa de b pecipitação, obte uma elação do tipo γ = ar, onde a e b são limitados paa cetas faixas de feqüência [5]. ntetanto, deve have um compomisso ente a simplicidade do cálculo da atenuação po apoximação analítica e a pecisão obtida atavés dos cálculos da Teoia de Mie. Uma compaação ente estas duas fomas de cálculo é apesentada na figua.

Conceitos Básicos 7 Figua Compaação ente o cálculo da atenuação usando Teoia de Mie e Apoximação Analítica. [5] Ao analisa a figua, nota-se uma boa confomidade ente os dois esultados. Há uma maio difeença em tono de 6 GHz onde ocoe um pico de absoção de oxigênio, o que tona a faixa de meno inteesse paa comunicações. A egessão analítica paa a o cálculo dos paâmetos a e b é aplicada paa oito segmentos a cada segmento de feqüência. Paa distibuição de Laws e Pasons em º C, os valoes de a(f) e b(f) são dados po: G a = G a a f (.) paa 5 a = 6,39 ; a =,3; <, 9 f GHz 5 Ga = 4, ; a =,4; paa,9 f < 54GHz Ga = 4,9 ; a =,699; paa 54 f < 8 GHz a =,5; paa f > 8 GHz G b = G b b f (.3) =,85; =,58; paa f < 8, b b 5 GHz Gb =,4; b =,779; paa 8,5 f < 5GHz Gb = 4,63; b =,7; paa 5 f < 64 GHz Gb =,66; b =,6; paa f > 64 GHz

Conceitos Básicos 8 Na pática [], a atenuação específica, dada pela equação (.7), é deteminada pela teoia de Mie paa feqüências supeioes a 3 GHz, enquanto que a apoximação de Rayleigh é usada paa feqüências ente e 3 GHz []. Consideando a distibuição de Laws e Pasons e as gotas da chuva como esfeóides oblatos a ºC, os paâmetos a e b paa as polaizações vetical e hoizontal são dados na tabela. Tabela Paâmetos a e b Feqüência (GHz) a H a V b H b V,387,35,9,88,54,38,963,93 4,65,59,,75 6,75,55,38,65 7,3,65,33,3 8,454,395,37,3,,887,76,64,88,68,7, 5,367,335,54,8,75,69,99,65 5,4,3,6,3 3,87,67,, 35,63,33,979,963 4,35,3,939,99 Paa polaização linea e cicula, os paâmetos a e b podem se deteminados a pati de [3]: ( a ) cos θ cos H - a V + ( ) θ τ V b V a b - a b cos cos H H V V a = a - + τ H a (.4) V b = a + H b H a (.5) k onde θ é o ângulo de elevação e τ é o ângulo de inclinação de polaização com espeito à hoizontal, e igual a 45 paa polaização cicula. Utiliza-se uma intepolação logaítmica paa a feqüência e o paâmeto a ao calculá-lo em uma faixa de feqüência foa da tabela e, similamente, paa o

Conceitos Básicos 9 cálculo do paâmeto b, uma intepolação linea. Ou seja, se a, a, b e b coespondem aos valoes nas feqüências f e f a seem intepolados os valoes de a e b feqüência f são dados po: ( a - a ) θ H V cos a = a - a + τ H V cos (.6) b(f) ( b b ) f log f f log f + = b (.7)..4 Recomendação do UIT-R paa o cálculo dos valoes de a(f) e b(f) Nas ecomendações do UIT-R os paâmetos a(f) e b(f) são denominados coeficientes k e α, espectivamente, sendo dependentes da feqüência e polaização. A Recomendação do UIT-R P.838-3 [3] apesenta expessões analíticas paa o cálculo desses paâmetos paa feqüências ente a GHz. 4 log f bj log k = a j exp + m log + = k f ck j c j (.8) 5 log f bj α = a j exp + m log + = α f cα j c j (.9) em que f é a feqüência em GHz. São apesentados valoes k H, k V, α H e α V, onde H e V coespondem às polaizações hoizontal e vetical, espectivamente).

Conceitos Básicos 3 Tabela Coeficiente k Coeficiente k H j a j b j c j m k c k -5,3398 -,8,398 -,896,747 -,3535,697,454 3 -,3789,8636,5354 4 -,9458,6455,687 Coeficiente k v j a j b j c j m k c k -3,8595,569354,86,67849,6397-3,44965 -,9,559 3 -,399,734,899 4,567,739,795 Tabela 3 Coeficiente α. Coeficiente α H j a j b j c j m k c k -,438,844 -,5587,67849 -,95537,959,77564,98 3,377,63773,364 4-5,376 -,963,4788 5 6,7-3,998 3,4399 Coeficiente α v j a j b j c j m k c k -,777,3384 -,7684 -,53739,83433,5677,95545,5439 3 -,38,45,689 4-48,99,79669,66 5 48,5833,79459,6479

Conceitos Básicos 3.3 Distibuições Cumulativas de Taxa de Pecipitação O valo da taxa de pecipitação deve se obtido, pefeencialmente, de dados de medidas locais. ntetanto, quando não fo possível obte os dados da taxa de pecipitação local, deve-se pocua utiliza valoes obtidos em climas similaes. Numa pimeia metodologia, que foi utilizada duante mais de 3 anos, o UIT-R [34] dividiu o globo em 5 (quinze) egiões climáticas, cujas distibuições de taxa de pecipitação são mostadas na tabela 4. Tabela 4 Regiões climáticas de UIT-R p(%) A B C D F G H J K L M N P Q, <,,5,7,,6,7 3 8,5 4 5 4,3,8,8 4,5,4 4,5 7 4 3 4, 7 5 34 49, 3 5 8 6 8 5 35 65 7,3 5 6 9 3 5 8 8 3 33 4 65 5 96, 8 5 9 8 3 3 35 4 6 63 95 45 5,3 4 6 9 4 54 45 55 55 7 5 95 4 4, 3 4 4 7 78 65 83 83 5 8 5 7 Os limites de cada egião foam definidos pelo UIT-R [34] atavés de mapas, como o mostado na figua 3, que coespondem a maco-egiões com valoes de pecisão limitados quando compaados com os medidos em pontos específicos. Po esse motivo, esta metodologia usando o conceito de egiões climáticas foi abandonada nos últimos anos.

Conceitos Básicos 3 Figua 3 Antigas egiões climáticas de chuva definidas pelo UIT-R Améica do Sul Paa coigi as deficiências da metodologia oiginal, o UIT-R [35] desenvolveu um novo método paa estimativa da taxa de pecipitação pontual a pati da extapolação de medidas de pecipitação acumulada em peíodos de 6 hoas em todo o mundo, ealizadas pela Oganização Meteoológica Mundial. O novo método pemite estima a taxa de pecipitação excedida paa uma deteminada pecentagem de tempo no ano em função da latitude e longitude da localidade. A título de exemplo, a figua 4 apesenta um mapa de R, obtido a pati deste método. ntetanto, medidas feitas em egiões topicais ainda mostam difeenças significativas ente os esultados obtidos po este método e os dados eais. Figua 4 Taxa de pecipitação excedida duante,% do tempo