propagação de ondas electromagneticas

1

PROPAGAÇÃO DAS ONDAS

ELECTROMAGNÉTICAS

2

ÍNDICETeoria ondulatória e teoria corpuscularEspectro EMCampo eléctrico e campo magnéticoPolarizaçãoFormação de ondas EMFenómenos de propagação (Reflexão, Difracção, Refracção e Atenuação)Propagação em VLF-LF-MFPropagação em HF (e em parte MF)IonosferaPropagação em VHF-UHF-SHF-EHF

3

Ondas guiadas

Ondas livres

A transmissão dos sinais eléctricos entre dois pontos, pode realizar-se por:

PROPAGAÇÃO DAS ONDASELECTROMAGNÉTICAS

4

Teoria CorpuscularTeoria Ondulatória

Fisicamente, a transmissão no espaço de sinais eléctricos irradiados a partir de uma antena, pode ser explicada através de duas teorias diferentes:

• Ambas as teorias são válidas para qualquer frequência.• A teoria corpuscular é particularmente útil nas bandas de: Infra-

Vermelhos (IR), Luz visível (LV) e Ultra-Violetas (UV)

PROPAGAÇÃO DAS ONDASELECTROMAGNÉTICAS

5

A radiação EM é constituída por um fluxo de concentrações de energia - fotões - que se deslocam à velocidade da luz.

Um fotão é constituído por um trem de ondas EM

Fotão

Aumento da frequência

Aumento da energia do fotão

TEORIA CORPUSCULAR

6

Campo Eléctrico (E)Campo Magnético (H)

A energia radioeléctrica transmite-se sob a forma de ondas electromagnéticas, que se propagam à velocidade da luz, sem necessidade de qualquer meio de suporte.Uma onda electromagnética é composta por dois campos oscilantes transversais:

TEORIA ONDULATÓRIA

7

E

E

A

Z

Y

X

H

H

c

f

c= 300.000.000 m/s

= 162.000 mi/s

TEORIA ONDULATÓRIA

8

FORMAÇÃO DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

• Imaginando uma antena elementar constituída por um fio condutor de determinado comprimento, ligado a uma fonte de corrente alterna, verifica-se o desenvolvimento de dois campos igualmente alternos.

• Devido ao movimento alternativo (num e noutro sentido), dos electrões no fio condutor, criam-se dois campos oscilantes entre si:

•Campo Eléctrico (E) (Paralelo ao condutor)

•Campo Magnético (H) (Perpendicular ao condutor)

9

Neste condutor, a direcção da corrente eléctrica muda em cada semi-período, provocando uma mudança de sentido dos dois campos (E) e (H).As perturbações magnéticas e eléctricas do meio, em torno desta antena, repercutem-se em todas as direcções do espaço envolvente.Esta propagação faz-se à mesma velocidade em todas as direcções, num determinado instante.


10

• Dipolo: antena elementar constituída por fio condutor • Comprimentos do dipolo: meio comprimento de onda

da frequência central• Movimento dos electrões induz onda EM


11

•Os pontos do espaço em que os dois campos (E) e (H) estão em fase, situam-se sobre uma esfera centrada na antena.Esta esfera denomina-se:

FRENTE DE ONDAou

SUPERFÍCIE EQUIFÁSICA

FRENTE DE ONDA

12

H

E

FRENTE DE ONDA

• E e H perpendiculares entre si• E e H perpendiculares à direcção de propagação• E paralelo à antena• H perpendicular à antena

Para grandes distâncias, a frente de onda pode considerar-se praticamente plana

Em qualquer ponto do espaço é possível detectar e medir E e H

E

13

POLARIZAÇÃO DE UMA ONDA EM

• A polarização de uma onda EM é determinada pelo

campo eléctrico em relação ao solo

• Quando o campo eléctrico é perpendicular ao solo,

diz-se que a onda está polarizada verticalmente

(Polarização Vertical)

• Quando o campo eléctrico é paralelo ao solo, diz-se

que a onda está polarizada horizontalmente

(Polarização Horizontal)

14

POLARIZAÇÃO DE UMA ONDA EM

• Conhecer a polarização de uma onda EM, é importante para a sua detecção, pois a antena de recepção deverá estar correctamente orientada no plano do Campo Eléctrico (E), de modo a captar um máximo de energia EM.

• Se tivermos uma antena disposta perpendicularmente ao Campo Eléctrico (E) não há indução de corrente, logo não há detecção.

15

POLARIZAÇÃO VERTICAL

Dipole Antenna

E Field

H Field

Propagation Path

Propagation Path

Propagation Path

Propagation Path

16

POLARIZAÇÃO HORIZONTAL

Dipole Antenna E Field

H Field

Propagation Path

Propagation Path

Propagation Path

Propagation Path

17

POLARIZAÇÃO CIRCULAR

Quando não for possível controlar a orientação

da antena Tx e/ou da antena Rx, poderá ser

aconselhável usar polarização circular.

Na polarização circular os vectores de E e de H

rodam em torno do eixo de propagação à

frequência de transmissão

Exemplo: GPS usa polarização circular direita

18

POLARIZAÇÃO CIRCULAR

Dipole Antenna

E Field #2Propagation Path

E Field #1

Rotation

19

FONTE ISOTRÓPICA DE RADIAÇÃO

• É uma fonte que irradia igualmente em todas as direcções.

• A potência total irradiada por esta fonte, distribui-se uniformemente sobre a superfície esférica duma frente de onda.


20

Fonte isotrópica de radiação

AR

Potência TotalP (Watts)


21

A radiação propaga-se em todas as direcções, criando-se

uma esfera (frente de onda) a qual vai ter uma área =

4..R²

A potência transmitida vai-se dispersar por essa esfera

pelo que vamos ter, em qualquer ponto da superfície

equifásica, uma densidade de potência (potência por

unidade de superfície): Dp

= P / (4..R²)

DISPERSÃO ESFÉRICA

22

Numa determinada área A (ex: antena receptora), a potência

recebida é igual à densidade de potência multiplicada por A:

A.P / (4..R²)

Como P é constante, se R2=2R

1, então

P = Dp1

.4..R1² = D

p2.4..R

2² ,

substituindo, Dp1

.R1² = D

p2. (2.R

1) ² DD

p1= 4.D= 4.D

p2

DISPERSÃO ESFÉRICA

23

GANHO DE UMA ANTENA

Como as antenas não são fontes isotrópicas, elas vão concentrar a

potência em determinadas direcções.

A relação entre a energia enviada pela antena e a energia enviada por

uma fonte isotrópica designa-se por GANHO.GANHO.

Assim:

GG = = DDp p

/ D/ Dp isotrópicap isotrópica

24

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

O espectro electromagnético inclui as ondas rádio, IV,

luz visível, UV, raios gama e raios cósmicos

O limite inferior do espectro rádio (3 KHz <> 100 Km) é

determinado pelo tamanho e eficiência das antenas

requeridas

O limite superior do espectro rádio (300 GHz <> 1 mm) é

determinado pela atenuação e absorção sofridas na

atmosfera

25

GPS(L1=1575,42 MHz)(L2=1227,60 MHz)

Radiogoniómetro e DGPS~300 KHz

RadarBanda F (10 cm)Banda I (3cm)

26

PROPAGAÇÃO DA ENERGIA EM

No espaço livre, as ondas rádio deslocam-se

rectilineamente com velocidade constante.

A atmosfera não se pode considerar um espaço

livre.

A presença da Terra e os efeitos secundários devido

aos fenómenos de reflexão, refracção, difracção e

atenuação, tornam a propagação bastante

complexa.

27

As ondas electromagnéticas estão sujeitas a vários fenómenos fisicos:

- reflexão

- refração

- atenuação

- difração

Além disso, o sinal pode ser contaminado por ruído e interferências.

PROPAGAÇÃO DA ENERGIA EM

28

REFLEXÃO e REFRACÇÃOAo incidir numa superfície de separação de dois meios de índice de refracção diferentes, uma parcela da energia será reflectida enquanto outra parcela se propagará através do novo meio de transmissão (refracção).

Este dois fenómenos ocorrem sobretudo acima dos 30 MHz (VHF, UHF, SHF, EHF)

29

EFEITO DA REFLEXÃO A reflexão no solo (obstáculos) provoca diferenças de fase

na onda reflectida em relação à onda directa, originando: Interferência construtiva (sinal reforçado) Interferência destrutiva (sinal enfraquecido ou mesmo anulado)

Directa

Ref

lect

ida

Directa

Reflectida

Interferência

Fase Op. fase

30

DIAGRAMA DE COBERTURA VERTICAL DAS ANTENAS

Na prática, face às interferências provocadas pela diferença de fase entre as ondas directa e reflectida, origina zonas em que o sinal é reforçado e outras em que é enfraquecido ou mesmo suprimido.

Altura

f()

31

DIAGRAMA DE COBERTURA VERTICAL TÍPICO DE RADARES

Radares de Aviso Aéreo

BANDA A

> 1m

40

Altura

(mil. pés)

0

25

50

75

100

80 120 160 200 240

RHR

Alcance (NM)

3250

Altura

(mil. pés)

0

25

50

75

100

100 150 200 250 300

RHR

Alcance (NM)



BANDAS B, C e D

15cm < < 1m

33

Altura

(mil. pés)

0

25

50

75

100

RHR

10 20 30 40 50 60 Alcance (NM)70 80


BANDAS E, F e G

5cm < < 15cm


34

REFRACÇÃO

Consiste na variação da direcção de propagação, em virtude das diferentes velocidades de propagação das ondas EM.

V1 > V2V1 < V2

As ondas encurvam-se no sentido da região de menor velocidade de propagação.

35

REFRACÇÃO ATMOSFÉRICAA refracção atmosférica faz com que as ondas rádio sigam

percursos encurvados em vez de percursos rectilíneosDepende do índice de refracção atmosférico, que varia

com a altitude, em função das variações de pressão, temperatura e humidade.

Em condições padrão, a temperatura decresce uniformemente com a altitude e a humidade mantém-se constante, provocando um decréscimo do índice de refracção, que encurva as ondas no sentido da superfície da Terra, de tal forma que o raio da onda é aproximadamente 4 vezes superior ao da Terra.

Afecta a propagação em frequências de VHF ou acima.

36

DIFRACÇÃO

Consiste em:A onda EM contornar um objecto (obstáculo), quando este é menor que o seu comprimento de onda.A difracção aumenta com o aumento do comprimento de onda, o que significa que é mais acentuada nas ondas rádio do que na luz visível, sendo particularmente relevante em VLF e LF.

37

DIFRACÇÃO(cont.)

A difracção induz tensão no solo sobre o qual se desloca, o que retira energia à onda, atenuando-a. Acima de 2 Mhz existe uma forte atenuação, tornando ineficaz a difracção.As ondas polarizadas verticalmente são menos atenuadas que as polarizadas horizontalmente.A atenuação depende ainda da condutividade da superfície sobre a qual se dá a propagação.

38

ATENUAÇÃO

• A atenuação da energia rádio/radar deve-se à presença de oxigénio e vapor de água, originando que parte da energia se transforme em calor

• As perdas de energia aumentam com a frequência.

• A chuva e outros hidrometeoros podem originar uma atenuação e dispersão das ondas EM

39

DifracçãoF < 2 MHz

Refracção atmosféricaF > 30 MHz

AtenuaçãoAumenta com aumento de F

RefracçãoIonosféricaMF e HF

40

MODOS DE PROPAGAÇÃO

A propagação das ondas EM pode adoptar três tipos de trajectos diferentes, consoante a parte do espectro em causa.É possível identificar qual o tipo de propagação predominante: ONDA TERRESTRE - Parte mais baixa do espectro ONDA IONOSFÉRICA - Parte intermédia do espectro ONDA ESPACIAL - Parte superior do espectro

41

Onda terrestreF < 3 MHz

Onda espacialF > 30 MHz

OndaIonosféricaMF e HF

42

MODOS DE PROPAGAÇÃO

43

PROPAGAÇÃO BANDAS DE VLF, LF e MF

Propagação realiza-se através de onda terrestre ou de superfície

Devido à difracção a onda terrestre ou de superfície segue a curvatura da Terra

44

Grande estabilidade

Antenas de grandes dimensões, potências elevadas (fraco rendimento), sistemas dispendiosos

VLF: Grande poder de penetração na água

Onda de superfície


45

Alcance depende de: Potência do transmissor Frequência irradiada Natureza do solo Polarização

Aplicações em navegação: VLF: Omega (desactivado em 1997) LF: Decca (desactivado em 1999) e Loran-C LF/MF: Radiofaróis (desactivados em 2000)

e DGPS


46

Propagação realiza-se através de onda ionosférica, que permite grandes alcances.

A energia que é irradiada para a ionosfera, é refractada e devolvida à superfície terrestre.

PROPAGAÇÃO BANDA DE HF (e em parte MF)

47

CONSTITUIÇÃO DA IONOSFERA

A Ionosfera é composta por quatro camadasCamada DeltaCamada EchoCamada Foxtrot ( esta divide-se em F1 e F2)

A altura e densidade das camadas da ionosfera variam em função da hora do dia, da estação do ano e com o ciclo solarEm regra, a ionosfera situa-se entre os 50 e os 400 km de altitude.

48


A camada Delta - é a mais próxima da superfície terrestre e é fracamente ionizada.Funciona como atenuadora para frequências de

HF (sobretudo para as mais baixas).À noite desaparece.

A camada Echo – mais ionizada que a camada D, permanece (embora pouco ionizada) à noite, com pouca variação de altura

49

A camada Foxtrot – é a camada mais ionizada, onde se dá a quase totalidade da refracção das ondas EM em HF; durante o dia subdivide-se em duas camadas designadas F1 e F2; possui grandes variações de altitude.


50

CAMADAS DA IONOSFERA

H (Kms)

500

400

300

200

100

F2

F1

E

D

F2

F1

E

D

F

E

Terra TerraTerra

DIA NOITE

Verão Inverno Verão/Inverno

51

REFRACÇÃO DAS ONDAS EM

As camadas E e F refractam as ondas EM em HF. O valor em intensidade da refracção depende:Da densidade de electrões das camadas.Do ângulo de incidência das ondas EMDa frequência.

52

DENSIDADE DE ELECTRÕES

Para um dado ângulo de incidência e para uma dada frequência, quanto maior for a ionização da camada mais intensa será a refracção das ondas EM

53

ÂNGULO DE INCIDÊNCIA Para uma dada camada e uma dada frequência se: O ângulo de incidência for demasiado pequeno, as ondas

atravessam a camada sem que sejam refractadas (A) O ângulo de incidência for demasiado grande, as ondas são

atenuadas na camada e não são refractadas (B) Para ângulos intermédios, as ondas são encurvadas e

regressam à Terra (C)

AB C

54

FREQUÊNCIA DAS ONDAS EM

Para uma dada densidade de electrões e um determinado ângulo de incidência se:A frequência for demasiado baixa, a onda é

atenuada (A)A frequência for demasiado elevada, a onda

atravessa a camada (B)Para frequências intermédias, a onda é refractada e

regressa à Terra (C)

B CA

55

COBERTURA DAS ONDAS IONOSFÉRICAS

Através de reflexões sucessivas na Terra, são conseguidos grandes alcances.O aumento da frequência aumenta a distância de salto.

TX

Onda de sup. Zona de

Silêncio

Cobertura da onda ionosfèrica

56

TX RX

Camada F

Camada E

PROPAGAÇÃO BANDA DE HF (e em parte MF)

A onda ionosférica é pouco estável devido a fading causado por trajectos múltiplos (multipath) e a variações aleatórias na polarização da onda

57



OndaIonosféricaHF e MF

Banda do DGPS: 283,5-325 KHz

COBERTURA DGPS (~300 KHz)

58


DIA NOITE

59


Propagação efectua-se por onda de superfície.Cobertura depende da condutividade do meio,

sendo superior sobre o mar do que sobre terra

A onda ionosférica condiciona a cobertura:De dia, a camada D atenua o sinal que se propaga

até à ionosfera, pelo que a onda ionosférica afecta pouco a cobertura do sistema DGPS.

De noite, a onda ionosférica pode começar a chegar a poucas centenas de Km da estação DGPS, interferindo com o sinal de superfície.

60

As ondas EM acima dos 30 Mhz não se conseguem propagar por onda de superfície nem por onda ionosférica.

Em VHF e acima, a propagação ocorre em trajecto em linha recta (com alguma refracção), a que acresce um trajecto reflectido na Terra – onda espacial.

PROPAGAÇÃO BANDA DE VHF, UHF, SHF e EHF

61

As ondas EM acima dos 30 Mhz não se conseguem propagar por onda de superfície nem por onda ionosférica.

Em VHF e acima, a propagação ocorre em trajecto em linha recta (com alguma refracção), a que acresce um trajecto reflectido na Terra.

As características principais são: O sinal EM está confinado à região acima do horizonte

rádio Nessa região existem variações significativas do nível

de sinal, devido à interferência entre os trajectos directo e reflectido

Existe uma grande atenuação pelos gases atmosféricos e hidrometeoros.

PROPAGAÇÃO BANDA DE VHF, UHF, SHF e EHF

62

Na atmosfera terrestre, as ondas EM são encurvadas devido à Refracção, originando diferentes horizontes:

• Dist. ao horizonte geométrico (a) [mi] = 1,93 H [m]

• Dist. ao horizonte visual (b) [mi] = 2,08 H [m] [Tab. 4 das Tábuas Náuticas]

• Dist. ao horizonte radar (c) [mi] = 2,23 H [m] [Tab. 5 das Tábuas Náuticas]

HORIZONTE RÁDIO/RADAR

63

HORIZONTE RÁDIO/RADAR

Em condições de refracção normais e para as frequências radar o alcance das ondas EM vai além do alcance visual em cerca de 6% e vai além do alcance geométrico em cerca de 15%.

Horizonte geométrico

Horizonte rádioHorizonte visual

64

EFEITOS DA REFRACÇÃO

A refracção é devida à variação da velocidade de propagação das ondas EM com a altitude.

O índice de refracção (n) é a relação entre a velocidade de propagação no espaço livre e a velocidade de propagação num ponto da atmosfera.

C

n = ---

V

n = Índice de refracçãoC = Velocidade de propagação no vácuoV = Velocidade das ondas EM no meio considerado

65

Introdução de erros nos radares, designadamente no ângulo de elevação

Alvo (posição aparente)

Alvo (posição real)

Raio refractado

Erro angular


66

À superfície terrestre e em condições normais n 1,000350 (entre 1,000250 e 1,000400)Por conveniência definiu-se refractividade (N) como sendo N = (n-1) X 106 , o que corresponde a 350 para condições normais

77.6P 3.73 x 105 x eN = ------ + ----------------- T T2

T = Temperatura (oK)P = Pressão atmosférica (mb)e = Tensão de vapor de água (mb)


67

Temperatura + Pressão decrescem rapidamente com a altitude

Vapor de água decresce lentamente com a altitude

Decréscimo normal da

refractividade com a

altitude

0 a 79 un/KM

“GRADIENTE NORMAL”

A direcção de propagação inclina-se

na direcção da superfície terrestre a

uma taxa menor que a curvatura da Terra

68

Aumento da refractividade com

a altitude

SUBREFRACÇÃO

A trajectória de propagação encurva

no sentido oposto à da superfície

terrestre.

REFRACÇÃO (Cont.)

69

Decréscimo da

refractividade entre

70 e 157 un/Km

SUPER-REFRACÇÃO”

A direcção de propagação encurva-se

na direcção da superfície terrestre mais

que o normal, mas ainda a uma taxa,

menor que a curvatura da Terra.

REFRACÇÃO (Cont.)

70

Decréscimo da refractividade

superior a

157 un/Km

GRADIENTE de “TRAPPING”

A trajectória da propagação encurva

mais rapidamente que a superfície

terrestre.

É responsável pela formação de “DUCTOS”

REFRACÇÃO (Cont.)

71

REFRACÇÃO (Cont.)

Subrefracção

(sentido oposto

à cur. Terra)Standard (< curv. Terra)

Superrefracção

> normal mas inferior

que curv. TerraTrapping

> curv. Terra

formação Ductos

72

EFEITOS DA REFLEXÃO

A propagação em frequências superiores a 30 Mhz, efectua-se através da onda espacial, a qual é composta por duas componentes: Onda Directa Onda Reflectida

Directa

Reflectid

a

73

EFEITOS DA REFLEXÃOA reflexão no solo (obstáculos) provoca diferenças de fase

na onda reflectida em relação à onda directa, originando: Interferência construtiva (sinal reforçado) Interferência destrutiva (sinal enfraquecido ou mesmo anulado)

Directa

Ref

lect

ida

Directa

Reflectida

Interferência

Fase Op. fase

74

ATENUAÇÃO ATMOSFÉRICA

75

PROPAGAÇÃO ANORMAL DA ONDA ESPACIAL

O alcance para além do horizonte rádio/radar deve-se a dois fenómenos conhecidos por: DUCTING SCATTERING (dispersão)

Os ductos formam-se quando existem gradientes de trappingDuctos são camadas onde o encurvamento da radiação EM é bastante acentuado, havendo reflexões/refracções sucessivas entre os limites da camada.

Existem dois tipos principais de ductos:

SUPERFÍCIE ELEVADOS / EVAPORAÇÃO

76

FORMAÇÃO DOS DUCTOS

Em condições normais, atmosfera Standard, a refractividade decresce uniformemente com a altitude.No entanto, existem condições atmosféricas em que o índice de refractividade varia de forma diferente originando o encurvamento da direcção de propagação de forma acentuada e consequentemente, refracções/reflexões sucessivas entre duas camadas da atmosfera.

RHR

77

FORMAÇÃO DOS DUCTOS

DUCTO DE SUPERFÍCIE (RADAR)

78

DISPERSÃO TROPOSFÉRICA

A Troposfera estende-se até aos 10Km altitude.

É nesta zona que ocorrem as turbulências atmosféricas,

as quais são devidas às variações de humidade e

temperatura das massas de ar.

A propagação troposférica baseia-se na utilização destas

turbulências (variações bruscas do índice de refracção),

para provocar a dispersão da energia em direcção à

superfície terrestre

Utilizada para frequências 100Mhz-10Ghz com alcances de

50-500nm.

79


O alcance além horizonte depende da altitude a que ocorre a dispersão.

TX

ESTRATOSFERA

TROPOSFERA

“METEOR BURST”

Dispersão

troposférica

RXRX

10- 15 Kms

80 - 120 Kms

50 a 500 NMAté 1000 NM

80


Vantagens Grandes alcances

Elevada confiança (maior disponibilidade que HF)

Dificuldade de interceptar/empastelar

Desvantagens Necessidade de potência de transmissão muito elevada

Necessidade de antenas de grande ganho (Tx e Rx) e

receptores de grande sensibilidade

81



OndaIonosféricaHF e MF

82

Alcance

Frequência

Rigor

Existe uma regra empírica que diz que a exactidão conseguida na medição de um sinal rádio é da ordem

de 1% do seu comprimento

83

Alcance

Frequência

Rigor

Omega~10 KHzλ=30 Km2 a 4 NM

Loran-C90-110 KHzλ=3 Km0,25 NM

GPS~1,5 GHzComprim. cód. C/A: 300m13-36 m

84

UTILIZAÇÃO POR SUBMARINOS

A atenuação das ondas rádio pela água do mar é

proporcional à raiz quadrada da frequência

Nível de sinal aceitável

Omega (10,2 KHz) 10m

Loran-C (100 KHz) 3,1m

Transit (400 MHz) 5 cm

GPS* (1,5 GHz) 2,5 cm

* Antenas têm que estar bem acima da superfície para evitar perdas de sinal devido a

salpicos de água e para poder receber satélites a baixa altitude

85

DÚVIDAS?

propagação de ondas electromagneticas

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