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Prof. Dr. Naasson P. de Alcantara Jr.DEE - Unesp/Bauru

Propagação de Ondas

EletromagnéticasProf. Dr. Naasson Pereira de Alcantara Jr.

naasson@bauru.unesp.br

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Uma onda eletromagnética propaga-se no espaço livre com a velocidade de 3x108 m/s (conhecida como a velocidade da luz).

O comprimento de onda no espaço livre é dado por:

λ = 3x108/f (m)

onde f é a frequencia da onda, em Hz.

f = 3 MHz , λ = 100 m ; f = 300 MHz , λ = 1 m ; f = 30 GHz , λ = 1 cm

As ondas eletromagnéticas são bastantes influenciadas pela atmosfera terrestre e obstáculos tais como: montanhas, prédios, ions e eletrons da ionosfera e gases que circulam a superfície da terra.

Ondas Eletromagméticas

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ENGENHARIAELÉTRICA Ondas Troposféricas

Troposfera: É a camada que se estende da superfície da terra até aproximadamente 10 Km de altura. A troposfera é constituída de gases como o oxigênio, nitrogênio, hidrogênio, vapor de água, etc. Apresenta alta heterogeneidade e variações acentuadas do indice de refração. Na troposfera precisamos considerar a influência da chuva, da umidade do ar na trajetória da onda eletromagnética e nas perdas do sinal. A chuva é um dos grandes causadoras de atenuação do sinal de comunicação em alta frequência (acima de 10 GHz). Os gases atmosféricos também atuam fortemente na atenuação e no traçado de um sinal .Essas caracteristicas permitem que uma onda propagada na direção dessa camada sofra sucessivas mudanças de direção antes de retornar à superfície da terra.

Durante décadas se utilizou transmissões troposféricas, sendo a faixa comum para essas transmissões entre 1 e 2 GHz.

Atualmente a transmissão troposférica foi substituída por enlaces de satélites.

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As ondas ionosféricas se caracterizam por refletirem na ionosfera, camada ionizada, que se estende acima de 60Km de altura e até aproximadamente 600 Km, dependendo da atividade solar(noite ou dia). É ionizada pelos raios solares, gerando ions e eletronslivres. Os elétrons livres e o campo magnético terrestre alteram o índice de refração da ionosfera, causando uma mudança de trajetória do raio e influenciado também nas perdas do sinal.

A aplicação desse tipo de propagação vai da faixa de 2 MHz até 50 MHz, podendo-se obter alcances de até 4000 km.

Ondas Ionosféricas

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São as ondas que se propagam acompanhando a superfície da terra. Se dividem em ondas de superfície e ondas espaciais.

As ondas de superfície são aquelas que acompanham o relevo terrestre. São ondas com frequencia de até 3 MHz e polarização vertical, para reduzir os efeitos do solo.

As ondas espaciais abrangem a faixa mais comercial do espectro defrequencia (VHF, UHF e SHF). Elas podem se dividir em ondas diretas e refletidas, sendo mais comum que o sinal recebido seja, na verdade, uma combinação dessas componentes.

Ondas Terrestres

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SIGLA FREQUÊNCIA ONDAS FAIXA DE FREQUÊNCIA

VLF Muito baixas Muito longas

3 a 30 KHz

LF Baixas Longas 30 a 300 KHz

MF Médias Médias 300 Khz a 3 MHz

HF Elevadas Curtas 3 a 30 MHz

VHF Muito elevadas

- 30 a 300 MHz

UHF Ultra elevadas

- 300 MHz a 3 GHz

SHF Super elevadas

Microondas 3 a 30 GHz

EHF Extra elevadas

Microondas 30 a 300 GHz

Classificação das Ondas de Rádio

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Características Principais das Ondas de Rádio

FREQUÊNCIA MODO DE PROPAGAÇÃO

ALCANCE VARIAÇÃO

Menor do que 3 MHz:

(VLF, LF, MF)

Ondas terrestres (éusada

exclusivamente a polarização vertical)

Inversamente proporcional a

frequência do sinal. Necessita potência

elevada

Pequena

Entre 3 e 30 MHz(HF)

Ondas ionosféricas e Ondas diretas (nas frequênciasmais elevadas)

Proporcional àfrequência

Depende da hora do dia e da estação

do ano

Acima de 30 MHz(VHF, UHF, SHF e

EHF)

Ondas diretas Depende da altura das antenas

Muito pequena

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Diferentes Modos de Propagação na Atmosfera

Ondas de Radiofrequencia

Ondas Ionosféricas Ondas Terrestres Ondas Troposféricas

Ondas Espaciais Ondas Superficiais

Ondas Diretas

Ondas Refletidas

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As ondas terrestres encontram obstáculos em sua propagação.

Mecanismos de Propagação

Os mecanismos de propagação são : Linha de Visada Direta, Reflexão, Espalhamento, Difração e Refração.

O canal de rádio-propagação, possui uma natureza aleatória e dependente da faixa de frequências utilizada. Ele não é de fácil compreensão, e exige complexos estudos teóricos e dados empíricos para a sua caracterização.

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A linha de visada direta (LVD) é a situação básica de propagação

Linha de Visada Direta

Nessa situação, transmissor e e receptor estão livres de obstruções em qualquer direção.

A propagação em LVD é muito peculiar, e raramente ocorre aplicações práticas. Entretanto, o seu entendimento e cálculo são úteis para que se desenvolva expressões mais complexas para outras situações de propagação.

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ENGENHARIAELÉTRICA Atenuação

A natureza esférica das ondas resulta que uma pequena parcela de potência chega na antena receptora.

Perda no espaço livre: é um valor básico de atenuação a ser considerado nos cálculos de atenuação, justamente por essa natureza esférica da onda.

L0 = 32,44 + 20logf + 20logd (dB)

L0 = Perda em decibéis

f = frequência em MHzd = Distância em km.

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ENGENHARIAELÉTRICA Fenômenos básicos

Reflexão: Ocorre quando a onda eletromagnética em propagação encontra um obstáculo cujas dimensões são maiores que o seu comprimento de onda. Ondas refletidas na superfície da Terra e em construções podem interferir entre sí, de forma construtiva ou destrutiva no receptor, causando reforço ou cancelamento do sinal.

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Espalhamento: É o fenômeno da reflexão, provocado por uma superfície rugosa, ou por objetos cujas dimensões são da ordem do comprimento de onda ou menor que o sinal.

Em telefonia celular essa é a forma mais comum de reflexão. O sinal sofreráreflexões multiplas entre a ERB e o móvel.

Fenômenos básicos

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Difração: Ocorre quando o caminho é obstruído por um corpo impenetrável. Baseado no princípio de Huygens ondas secundárias são formadas e se propagam para além do obstáculo, mesmo sem visada.

Fenômenos básicos

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Refração: Ocorre a onda eletromagnética incide sobre um obstáculo não condutor (neste caso a reflexão é total). Parte da energia é transmitida para dentro deste meio, e parte dela é novamente transmitida para o espaço livre.

Fenômenos básicos

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ENGENHARIAELÉTRICA Efeitos da Propagação

Multi-percurso. Ocorre quando a propagação se dá por diversos caminhos, sofrendo multiplasreflexões.

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Sombreamento. O Sombreamento é causado pelo contorno do terreno e outras obstruções entre o transmissor e o receptor.

O Sombreamento produz perda de potência, podendo interromper a comunicação.

O projeto do sistema deve prever zonas de sombreamento, para melhor distribuir as antenas transmissoras.

Efeitos da Propagação

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Desvanecimento é a flutuação do sinal, devido aos fenômenos jádescritos, quando o móvel encontra-se em movimento.

Com o movimento, as estruturas em torno do receptor vão se modificando e, por conseqüência, as interferências passam constantemente da situação construtiva para a destrutiva, fazendo com que a intensidade do sinal recebido varie rapidamente.

Desvanecimento lento: topografia do terreno.

Desvanecimento rápido: obstru-ções devido a edificações.

Efeitos da Propagação

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ENGENHARIAELÉTRICA Frequencia Crítica de Camada

É a maior frequência (fc) que pode ser devolvida para a terra pela camada, para um raio de incidência norma.

Camada ionosférica

h = 1,5x108t

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ENGENHARIAELÉTRICA Máxima Frequencia Utilizável

É a maior frequência (fc) que pode ser ser refletida pela camada para determinado ângulo de incidência da onda eletromagnétrica. A MUF geralmente não ultrapassa 35 MHz e é dada pela seguinte equação:

θcosCf

MUF =

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ENGENHARIAELÉTRICA Ondas Diretas

A máxima distância de transmissão de uma antena, ou seja, seu horizonte de rádio é dado pela equação:

tt hd 4=

onde ht é a altura da antena transmissora, em m, e d é a distancia de transmissão, em km.

A mesma fórmula aplica-se à antena receptora. A distância entre antenas transmissoras e receptora é dada por

rt hhd 44 +=