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Unidade I - Produção e Propagação de Ondas Eletromagnéticas

01 - Canal em radio comunicações é o espaço físico existente entre as antenas transmissora ereceptora.

02 - Quando uma potência propaga livremente no espaço, diz-se existir uma irradiação eocorre na forma de ondas eletromagnéticas.

03 - Espaço livre é o espaço que não interfere com a irradiação normal e a propagação dasondas de rádio. É uma concepção teórica.

04 - A teoria da irradiação eletromagnética foi proposta pelo físico inglês James Clearck Ma-xwell em 1857 e concluída em 1873, sendo uma explanação de fundo matemático docomportamento das ondas eletromagnéticas.

05 - Ondas eletromagnéticas são oscilações perpendiculares à direção de propagação, quepropagam à velocidade da luz, vc = c = 3 x 108 m/s. É composta por dois campos, elétri-co e magnético, perpendiculares entre sí e a direção de propagação.

06 - Frente de ondas é o plano de união de todos os pontos de mesma fase, logo de mesmaintensidade.

07 - Densidade de potência - Ρ - é a potência irradiada por unidade de área. A área a ser con-siderada é a de uma esfera.

Ρ = Pt

rW m

4 22

π/

08 - Fonte isotrópica é uma fonte que irradia uniformemente em todas as direções. É, tam-bém, uma concepção teórica.

09 - Pela definição de densidade de potência, podemos concluir que no espaço, atmosfera, adensidade de potência diminui com o aumento da distância até a fonte segundo uma leiquadrática.

10 - As intensidades dos campos elétrico e magnético são fatores importantes no estudo dasondas eletromagnéticas e são definidos por:

Ε - intensidade de campo elétrico [ V / m ]

Η - intensidade de campo magnético [ A / m ]

11 - Impedância característica - Ζ - expressa a dificuldade encontrada pela onda eletromag-nética em propagar em um determinado meio.

Ζ Ω= µε

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µ - permeabilidade do meio ε - permissividade do meioµar - 4 π x 10 -7 H/m εar - 1 / ( 36 π x 10 9 ) F/mΖar = 120 π = 377 Ω

12 - Pela equação da intensidade de campo vê-se que ela varia inversamente proporcional àdistância à fonte.

ε = 30 P

rV mT /

13 - Polarização refere-se à orientação física da onda irradiada no espaço.

14 - Polarização linear - uma onda é dita linearmente polarizada se todas as ondas apresen-tam o mesmo alinhamento ou fase no espaço.

15 - A classificação da polarização de uma onda é feita segundo a direção do campo elétricoem relação à superfície de propagação.

16 - Tipos de polarização

Vertical - o campo elétrico está perpendicular à superfície de propagação.Horizontal - o campo elétrico está paralelo à superfície de propagação.Circular - o campo elétrico gira continuamente em relação à superfície de propagação.Elíptica - o campo elétrico gira continuamente de forma a uma saca rolha em relação àsuperfície de propagação.

Transmissão e Recepção

01 - Se uma corrente de rádio freqüência circula em um condutor, parte da energia será trans-formada em onda eletromagnética.

02 - Se um condutor é colocado no campo de uma onda eletromagnética, uma corrente indu-zida resultará neste condutor.

03 - O processo de recepção é o inverso do processo de transmissão, logo as antenas trans-missora e receptora são intercambiáveis, a parte da potência manipulada. Princípio daReciprocidade.

Absorção e Atenuação

01 - No espaço livre a absorção das ondas eletromagnéticas não ocorrem porque nada existepara absorvê-las.

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02 - Na atmosfera parte da energia das ondas eletromagnéticas será transferida aos átomos emoléculas, provocando vibrações e a atmosfera será aquecida de um valor infinitesimal,mas significante.

03 - A atenuação da onda eletromagnética, expressa em decibéis, é dada pela expressão:

[ ]α αP E

r

rdB= =

20 2

1

log

onde r2 > r1 sendo as distâncias até a fonte.

Efeitos do Meio Ambiente

1 - reflexão2 - refração3 - Interferência4 - Difração

Reflexão

01 - Apresenta similaridade com a reflexão da luz por um espelho.

02 - O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência.

θi = θr

03 - O raio incidente, o raio refletido e a normal ao ponto de incidência estão no mesmo pla-no.

04 - Coeficiente de reflexão - ρ - é a relação entre a intensidade de campo elétrico da ondarefletida e a intensidade de campo elétrico da onda incidente.

ρ εε

= r

i

05 - εr ≠ εi ocorre absorção de energia ou sua transmissão.

06 - A transmissão da onda é o resultado de correntes estabelecidas no condutor imperfeito,permitindo a propagação através dele, acompanhado por refração.

07 - É de importância o vetor campo elétrico seja perpendicular à superfície condutora, senãocorrentes seriam estabelecidas na superfície, conseqüentemente não haveria reflexões.

08 - Sendo a superfície condutora áspera, as reflexões ocorrem normalmente, considerandoque o ângulo de incidência será uma transgressão do Critério de Rayleigh.

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Refração

01 - A refração ocorre quando a onda eletromagnética passa de um meio de propagação paraoutro meio, apresentando uma diferença de densidade.

02 - Conseqüências: a frente de ondas adquire uma nova direção; a velocidade de propagaçãofinal será diferente da inicial.

03 - A relação entre os ângulos de incidência “ θi “ e o ângulo de refração “ θr “ poderá sercalculada:

QPQ PQ Pi r' ' '= =θ θ e

sen

sen

''

''

'

'

θθ

r

i

PPPQ

QQPQ

PP

QQ

vb

va= = = Lei de Snell

sen

sen

θθ µ

r

i

ka

kb= = 1

k - constante dielétrica do meiov - velocidade de propagação no meioµ - índice de refração

04 - Se a variação de densidade é gradual e linear, os raios serão curvados, distanciando dalinha normal ao contrário de uma inclinação abrupta.

05 - A densidade atmosférica varia com a altura, ligeiramente, mas linearmente. Como con-seqüência temos que o horizonte das ondas de rádio é ampliado.

Interferência

01 - Ela ocorre quando duas ou mais ondas deixam uma fonte e propagam por trajetórias dife-rentes, chegando a um mesmo ponto receptor.

02 - Ocorre freqüentemente em freqüências altas na propagação ionosférica, microondas e porondas espaciais.

03 - Duas situações são verificadas: se a superfície é um condutor é imperfeito, ocorrerá umcancelamento parcial ou reforço parcial; se a superfície é um condutor perfeito ocorreráum cancelamento total ou reforço total.

04 - A sucessão de pontos consistindo de alternados cancelamentos e reforços estabelece ummodelo de interferência.

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05 - As “ pétalas da flor “ do modelo de interferência são chamadas de “ lóbulos “ e corres-pondem aos pontos de reforços; os “ nulos ” entre os lóbulos correspondem aos pontosde cancelamento.

06 - Para freqüências inferiores à faixa de VHF a interferência não é significante devido aogrande comprimento de onda ( λ ) de tais sinais.

λ = =vc

f

c

fm

07 - Para freqüências na faixa de UHF e acima a interferência aparece ampliada, sendo degrande significância em sistemas de radares e de microondas.

08 - O ângulo que o primeiro lóbulos faz com a superfície da terra é de grande importânciaem radares de faixa larga.

Difração

01 - Propriedade repetida da ótica, concernente com o comportamento da onda eletromagné-tica afetada pela presença de uma pequena fenda em um plano condutor ou de forma adelimitar um obstáculo.

02 - Princípio de Huygens - Todo ponto de uma frente de ondas esférica pode ser considera-do como uma fonte de ondas, no qual ondas aparentes são irradiadas mais distantes.

03 - Por conseqüência, o campo total de sucessivos pontos afastados da fonte é então igual aovetor soma dessas pequenas ondas secundárias.

04 - Em uma onda plana o cancelamento das pequenas ondas secundárias ocorre em todas asdireções diferente da direção original da frente de ondas, desta forma ela continua comouma frente de ondas plana.

05 - A difração é de importância em duas situações práticas: primeiro no meio de propagaçãodo sinal por onda espacial, por ser recebida entre edifícios altos, montanhas e outrosobstáculos semelhantes; segundo no desenho de antenas de microondas, acontecendo emmaior parte na prevenção do estreito feixe de irradiação.

Propagação de ondas

01 - A onda eletromagnética propaga em trajetória que não só depende de suas propriedades,mas também são ditadas pelo meio de propagação.

02 - Freqüências acima de HF propagam em linha reta por meio de ondas espaciais ou ondastropicais, pois propagam na troposfera.

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03 - Freqüências abaixo de HF propagam ao longo da curvatura terrestre, uma combinação dedifração e de um tipo de efeito igual à propagação nos guias de ondas.

04 - As ondas terrestres permitem propagação ao redor da curvatura da terra, sendo um dosdois originais meios de propagação além do horizonte.

05 - As ondas na faixa de HF e freqüências logo acima ou abaixo são refletidas pelas camadasionosféricas da atmosfera e são chamadas de ondas celestes. Tais sinais são irradiadosem direção ao céu e retornam após reflexões, atingindo a superfície da terra além do ho-rizonte.

06 - Outros modos de propagação além do horizonte são: a difusão troposférica e a comuni-cação por satélites estacionários.

Ondas terrestres ou superficiais

01 - Propagam ao longo da superfície da terra e devem ser verticalmente polarizadas paraevitar o curto-circuito do campo elétrico.

02 - Uma onda induz corrente sobre a superfície na qual ela propaga e, desta forma, parte daenergia será perdida; outra forma de perda é devido a difração com a inclinação gradualda frente de ondas.

03 - Para um máximo alcance de uma determinada transmissão depende de sua freqüência,potência, sendo que na faixa de VLF um alcance insuficiente pode ser melhorado peloaumento da potência.

04 - A redução do sinal é causada por demasiadas variáveis tais como salinidade, resistênciada terra ou água sobre a qual a onda propaga, vapor d’água contido no ar, sendo possívelapenas elaborar uma estimativa do alcance.

Propagação por ondas celeste - a ionosfera

01 - Em 1925, Sir Edward Appleton com trabalhos experimentais mostrou que a atmosferarecebe energia oriunda do sol para que suas moléculas dissociarem em ions, permane-cendo ionizadas por longos períodos. Mostrou também a existência de várias camadasionizadas, em diferentes alturas, que sob certas condições refletem à terra as ondas dealta freqüência.

02 - Existem grandes variações nas propriedades físicas da atmosfera, tais como temperatura,densidade e composição.

03 - Os mais importantes agentes ionizadores são: a radiação ultravioleta, radiações alfa, betae lambda provindas do sol, bem como os raios cósmicos e meteoros.

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04 - O resultado final é uma faixa de quadro camadas principais, D, E, F1 e F2, em ordemascendente, sendo que as duas últimas combinam-se à noite para formar a camada únicaF.

05 - A camada “ D “ é a mais próxima, existindo a uma altura média de 70 km, espessuramédia de 10 km, desaparecendo durante a noite. É a camada menos importante do pontode vista da propagação de HF, refletindo algumas ondas de VLF e LF, absorvendo as on-das de MF e HF.

06 - 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 cama-da, devido a ausência do sol. Sua principal função é uma pequena ajuda na propagaçãode ondas superficiais em MF e a reflexão de algumas ondas de HF durante o dia.

07 - A camada “ ES “ de alta densidade de ionização as vezes assume a forma de camada “ E“. Chamada de camada “ E “ esporádica, quando ocorre persiste durante à noite. Nãoapresenta importância na propagação a longa distância, mas permite inesperadas recep-ções à noite. Suas causas não são bem conhecidas.

08 - A camada “ F1 “ existe a uma altura de 180 km durante o dia e combina com a camada “F2 “ à noite. Sua espessura durante o dia é de cerca de 20 km. O efeito principal é depromover maior absorção para as ondas de HF, sendo seu efeito dobrado.

09 - A camada “ F2 “ é em alto grau o meio mais importante de reflexão para ondas de rádiode rádio freqüência. A espessura pode ser superior a 200 km e sua altura varia na faixade 250 a 400 km durante o dia, descendo a noite onde combina com a camada “ F1 “.Sua densidade iônica varia com a hora, temperatura média ambiente e as manchas do ci-clo solar.

10 - A camada “ F “ persiste à noite por uma combinação de razões: ela é a mais alta e demaior ionização; suas moléculas ionizadas apresentam baixa velocidade de colisão de-terminando meios para que a ionização persista por um tempo maior.

11 - A razão para a melhoria da recepção em HF à noite é a combinação das camadas “ F1 “ e“ F2 “ em uma camada “ F “ e o virtual desaparecimento das outras camadas que tinhamabsorvido parte da onda durante o dia.

Mecanismo de Reflexão

01 - O fato real da reflexão nas camadas ionosféricas envolve o efeito da refração.

02 - Se a velocidade de variação do índice de refração por unidade de altura é suficiente, oraio incidente eventualmente tornará paralelo à camada, inclinando para baixo e final-mente emerge da camada ionizada a um ângulo igual ao de incidência.

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Termos e Definições

01 - Altura Virtual - é a distância medida da superfície da terra até o ponto de reflexão espe-cular na camada ionosférica.

02 - Se a altura virtual de uma camada é conhecida, pode-se calcular facilmente o ângulo deincidência requerido para a onda retornar à terra em um ponto pré-selecionado.

03 - Freqüência Crítica - para uma dada camada, é a mais alta freqüência que retorna à terrapor aquela camada após reflexão direta sobre ela.

04 - Isso implica que uma freqüência máxima deve existir, acima da qual os valores vão emlinha reta através da ionosfera e se perdem no espaço.

05 - Máxima Freqüência Utilizável - muf - é a mais alta freqüência que pode ser utilizadapara comunicações por onda celeste entre dois pontos pré-selecionados na superfície daterra.

06 - A muf pode variar tremendamente após atividades solares extraordinárias, podendo as-sumir valores tão alto quanto 50 MHz.

07 - Distância de Salto - Skip Distance - é a menor distância para uma transmissão, medidaao longo da superfície da terra na qual uma onda celeste de freqüência fixa, maior do quea “ fc “ retorna à superfície da terra.

08 - O trajeto da transmissão é limitado pela distância de salto por um lado e a curvatura daterra a um outro. O maior dos saltos simples é obtido quando o raio é transmitido tan-gencialmente à superfície da terra.

09 - Uma trajetória calculada com base na altura constante da camada “ F2 “, se a trajetóriaencontra no caminho a terminação assegura-se que a área receptora será errada, porque acamada “ F2 “ sobre o alvo está mais baixa do que a camada “ F2 “ sobre o transmissor.

10 - Fadding - desvanecimento - é a flutuação na intensidade do sinal de um receptor; elepode ser rápido ou demorado, geral ou seletivo em freqüência, mas sempre é devido ainterferência entre duas ondas na qual deixam a mesma fonte mas alcançam o destinopor trajetórias diferentes.

11 - O desvanecimento ocorrerá por interferência entre os raios menor e maior de uma ondaceleste; entre as ondas celestes por diferença de lúpulos ou entre a onda terrestre e umaonda celeste, principalmente na parte inferior da faixa de HF; ocorrerá por flutuações naaltura ou densidade na camada de reflexão da onda.

12 - O combate ao desvanecimento é realizado pelo uso de freqüências espaçadas ou diversi-ficação de freqüências ou diversificação em espaço.

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Onda Espacial

01 - Neste tipo de propagação as ondas “ caminham “ em linha reta, sendo limitadas na pro-pagação pela curvatura da terra.

02 - Este tipo de propagação é semelhante às ondas eletromagnéticas no espaço livre.

Horizonte de Rádio

01 - O horizonte de rádio de uma antena é dado com boa aproximação pela fórmula empírica:

d ht t= 4

onde dt é a distância à antena transmissora em km; ht é a altura da antena transmissoraem metros.

d d d h h mt r t r= + = +4 4

Propagação de Ondas Espaciais em Microondas

01 - Sabemos que a densidade do ar decresce e o índice de refração aumenta com o aumentoda altura em torno da terra.

02 - O principal requisito para a formação de ductos atmosféricos é o chamado fenômeno deinversão de temperatura, isto é, o aumento da temperatura com a altura em vez do usualdecréscimo de 6,2oC/km.

03 - A super refração é em seu todo mais provável de ocorrer na zona subtropical do que emzona temperada.

Propagação por Difusão Troposférica

01 - Ela utiliza certas propriedades da troposfera, a mais próxima porção da atmosfera, dentrode cerca de 15 km acima da superfície da terra.

02 - As razões para a dispersão não são conhecidas mas existem duas teorias. Uma sugerereflexões por “ blobs “ - bolhas - semelhante a dispersão em um refletor; a outra sugerereflexões pelas camadas atmosféricas.

03 - A potência recebida é muito reduzida, da ordem de um milionésimo a um bilhonésimoda potência incidente no volume comum, sendo que potências da ordem de MW são co-muns e necessárias.

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04 - É empregado para proporcionar telefone a longa distância e outros links de comunicaçõescomo uma alternativa para links de microondas ou cabos coaxiais sobre terrenos ásperosou inacessíveis.

05 - A tropodifusão está sujeita a dois tipos de desvanecimentos: um rápido com variações naintensidade máxima do sinal atingindo o máximo de 20 dB, sendo o pior; o segundomuito vagaroso sendo provocado pelas variações nas condições atmosféricas ao longo datrajetória do sinal.

06 - Por causa dos desvanecimentos, os sistemas são empregados com espaços diversificados,ou o mais comum a diversificação em freqüência. Sistemas com diversificação quádru-pla são encontrados com duas antenas em cada extremidade, separadas por distânciasalgo maior do que 30 comprimentos de onda.

Figuras

Figura 01 - Diagrama de blocos de um sistema de comunicação

Figura 02 - Onda eletromagnética transversal no espaço livre.

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Figura 03 - Frente de onda esférica.

Figura 04 - Atenuação atmosférica da onda eletromagnética.

Figura 05 - Reflexão da onda eletromagnética . Formação da imagem.

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Figura 06 - Refração em um plano, claramentre definido a fronteira ou limite

Figura 07 - Refração na atmosfera terrestre.

Figura 08 - Interferência dos raios direto e refletido pela superfície da terra.

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Figura 09 - Modelo de irradiação com interferência.

Figura 10 - Difração: a - frente de onda esférica; b - frente de onda plana; c- através de um pequeno orifício.

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Figura 11 - Difração através da borda de um obstáculo.

Figura 12 - Espectro de freqüência das ondas eletromagnéticas.

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Figura 13 - Propagação por uma onda terrestre.

Figura 14 - Camadas ionosféricas e suas variações regulares.

Figura 15 - Alturas real e virtual de uma camada ionosféricas.

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Figura 16 - Efeitos da ionosfera em raios de diferentes ângulos de incidência.

Figura 17 - Propagação por uma onda celeste em múltiplos trajetos.

Figura 18 - Trajetórias da transmissão por uma onda celeste a longa distância:a - norte - sul; b - leste - oeste.

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Figura 19 - Horizonte de rádio para ondas espaciais.

Figura 20 - Super refração em ductos atmosféricos.

Figura 21 - Propagação por difusão troposférica.