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CENTRO DE ENSINO SUPERIOR DOS CAMPOS GERAIS – CESCAGE http://www.cescage.edu.br/publicacoes/technoeng 3ª Edição/Jan – Jul de 2011

ISSN 2178-3586

UTILIZAÇÃO DE ANTENAS DE POLARIZAÇÃO VERTICAL EM EMISSORAS DE FREQUÊNCIA MODULADA

USE OF VERTICAL ANTENNA POLARIZATION IN FREQUENCY MODULATED STATIONS

Paulo Jorge Kloth1; Paulo Jayme Pereira Abdala2 1Centro de Ensino Superior dos Campos Gerais - CESCAGE – Ponta Grossa – Brasil

[email protected] 2 Centro de Ensino Superior dos Campos Gerais - CESCAGE – Ponta Grossa – Brasil

[email protected] Resumo: O objetivo deste trabalho é apresentar as vantagens da utilização do sistema irradiante com polarização vertical em substituição ao sistema irradiante de polarização circular, normalmente utilizado pelas estações de freqüência modulada na faixa de VHF. O sistema irradiante com feixe de energia eletromagnética em apenas uma polarização permite a obtenção de mesma potência irradiada com a metade do número de elementos do sistema circular tradicional. Um sistema irradiante com menor número de elementos gera um menor índice de nulos, fator altamente positivo em seu favor, aliado a isto a maioria dos sistemas receptores de hoje se adaptam melhor a recepção da onda com polarização vertical. Outra vantagem do sistema de polarização vertical é o seu custo inferior ao sistema convencional. As análises foram feitas a partir de dados teóricos, estudos anteriores feitos em outros países e constatações de ordem prática em campo realizadas na faixa de freqüência de VHF, o que resultou na implantação de um sistema experimental.

Palavras-chave: antena, sistema irradiante, polarização, rádio fm.

Abstract: The aim of this paper is to present the advantages of using the radiating system with vertical polarization instead of the radiating system of circular polarization, typically used by frequency modulation stations in the VHF band. The radiating system with a beam of electromagnetic energy in only one polarization allows us to obtain the same radiated power with half the number of elements of the traditional circular systems. A radiating system with fewer elements generates a lower rate of zero, highly positive factor in its favor, together with that most receptor systems today are better suited to receive the wave with vertical polarization. Another advantage of the system of vertical polarization is its lower cost than conventional systems. Analyses were made from theoretical data, previous studies in other countries and finding practical field held


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in the VHF frequency range, which resulted in the deployment of an experimental system.

Key-words: antenna, radiating system, polarization, radio fm.

1. INTRODUÇÃO

O sistema irradiante é o ponto mais importante no quesito alcance para

todo sistema de transmissão que utilize ondas de rádio (HALÁSZ,1993). A

prática corrente nas emissoras de frequência modulada em VHF é o emprego

do sistema irradiante de polarização cruzada ou circular, o qual divide o sinal

oriundo do transmissor em duas parcelas, irradiando uma em polarização

horizontal e outra em polarização vertical(FCC, 2009). Em nosso país a

legislação permite a utilização de uma única polarização ou em ambas

(ANATEL, 1998).

As emissoras de frequência modulada utilizaram no início das

transmissões exclusivamente polarização horizontal. Nesta época não existiam

receptores portáteis ou receptores móveis em veículos, as antenas receptoras

eram externas e instaladas a grande altura. Com o advento dos receptores em

veículos iniciou-se a utilização da polarização circular, para promover também

irradiação com polarização vertical, visto que as antenas móveis eram verticais.

(BLANK, 1998)

Dividindo-se o sinal em horizontal e vertical, promove-se uma

defasagem de 90 graus entre ambos, e se a divisão for feita exatamente por

dois, tem-se a polarização circular, caso as componentes horizontais em

verticais não sejam exatamente iguais tem-se uma polarização

elíptica.(BALANIS, 1989).

A partir da década de 60 a polarização circular tornou-se um padrão e

seu uso sempre foi justificado por esse sistema apresentar um melhor

resultado com relação ao desvanecimento do sinal, em casos de múltiplos


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percursos. Esse fenômeno é típico na frequência de VHF e pode ser percebido

quando se capta uma emissora de FM em um automóvel em movimento. Ao se

reduzir a velocidade – nas proximidades de um semáforo, por exemplo – o

sinal da emissora some e num momento seguinte, poucos metros adiante, o

sinal retorna. Esse é, comprovadamente, o único argumento favorável ao

sistema circular. O problema do desvanecimento, entretanto, só é significativo quando o sinal é

fraco. Sendo assim, se for conseguido elevar o sinal através da emissão em uma

única polarização, o efeito será minimizado consideravelmente.

Com a emissão em apenas uma polarização e mantendo-se o número de

elementos do sistema irradiante haverá aumento de sinal, oferecendo à emissora uma

maior área de abrangência. Isto irá propiciar à mesma uma maior possibilidade de

receita, tendo em vista o aumento do número de ouvintes, o que é bastante

significativo quando da negociação com anunciantes.

Outro ponto bastante relevante desse aumento é o fato de que, embora haja

aumento da potência efetiva irradiada (ERP), isto não implicará em aumento do

consumo de energia elétrica, um insumo de alto custo para o setor de radiodifusão.

2. DESENVOLVIMENTO

As ondas de rádio em VHF (30 – 300 MHz) têm um comportamento análogo ao

de um feixe de luz, e, desta forma, os obstáculos de grandes dimensões, entre a

antena transmissora e a antena receptora, impõem uma significativa redução de sinal.

Entretanto, as ondas em VHF – devido à presença da atmosfera – possuem uma

melhor característica de se refratarem e, desta forma, conseguem contornar os

obstáculos (NAB, 2007).

Esta refração só ocorre quando o sinal tem intensidade significativa. Por esse

motivo, normalmente o sinal só consegue ultrapassar a primeira grande elevação

entre a antena transmissora e a receptora. Sendo a segunda grande elevação distante

da primeira, o sinal dificilmente a ultrapassará.


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Pelo seu baixo comprimento de ondas (da ordem de 3 metros), a ionosfera não

consegue refletir de volta à terra o sinal das freqüências de VHF, como ocorre com as

ondas curtas (ARRL, 1987).

Este processo de propagação das ondas de rádio em VHF é o que ocorre

durante a maior parte do tempo. Existem momentos esporádicos no qual o

sinal consegue ser conduzido por um duto formado nas altas camadas da

troposfera e retorna a terra, permitindo sua recepção em pontos bem mais

distantes, da ordem de 100 a 600 km, tais qual mostrado na figura 1.

Figura 1 – Rastro deixado por avião a jato (Fonte: Mauricio Mayrinck Falcão)

Tal fenômeno ocorre coincidentemente nos dias em que os aviões a jato,

que trabalham em altitudes próximas a 10 km, deixam rastros longos no céu.

os quais permanecem por um grande período.

Desta forma, a parcela de interesse da propagação em VHF, para as


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emissoras de radiodifusão, se restringe às ondas que viajam a pequena altura

em relação ao solo.

Relatou-se até este momento o percurso das ondas da antena

transmissora até a chegada na antena do receptor, neste ponto surge novo

argumento em relação à utilização do sistema proposto, a absoluta maioria dos

receptores está apta a captar a onda eletromagnética em apenas uma

polarização e a prática corrente é deixar a antena receptora em um ângulo de

45 graus com a horizontal, sendo assim pode-se ter outra perda de sinal a qual

irá ser mensurada na parte prática deste trabalho.

Pelos motivos vistos anteriormente, verifica-se que, para ser obtido o

maior alcance, é necessário dispor da maior potência irradiada e que, nos

primeiros trechos, ocorram os menores índices de nulo do sistema irradiante e

também que a antena receptora esteja em posição correta para conseguir a

maior eficiência (SADIKU, 1994).

Medições de campo levadas a efeito pelo autor em conjunto com o

Grupo de VHF dos Campos Gerais – GVHFCG nos anos de 2005 e 2007,

figura 2, mostraram que a polarização do sistema irradiante na horizontal é

indicada para transmissão e recepção dos sinais em distâncias elevadas, e que

esta polarização sofre grande influência das variações atmosféricas, o que gera

o fenômeno do desvanecimento dos sinais, sendo assim não indicada para a

radiodifusão.(GVHFCG, 2011).


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Figura 2 – Teste de antenas GVHFCG junho de 2007 (Fonte: Mauricio Mayrinck Falcão)

Por outro lado, o sistema de polarização vertical tem um desempenho

superior em relação ao desvanecimento dos sinais, causados pela atmosfera,

em distâncias de algumas dezenas de quilômetros. Tal sistema é

particularmente interessante nos casos de receptores instalados em veículos,

uma vez que a antena receptora, neste caso, é colocada quase sempre na

vertical ou em posição próxima a esta (BBC, 1986). A disposição da antena em

posição que não seja a vertical prejudica de maneira severa a recepção de

outras faixas de onda nos veículos.

Há certa controvérsia na literatura a respeito da utilização da antena com

polarização horizontal em relação à recepção de sinais na faixa de VHF.

Alguns textos relatam perda de sinal e outros, acréscimo de sinal com esta

polarização. Tais pontos de vista opostos tem explicação, pois dependendo da

altura da antena receptora, da distancia entre a estação receptora e a

transmissora, e também da diferença de altura entre ambas, podemos ter

perda ou acréscimo de sinal (ORR e COWAN 1993).

Como é de conhecimento da teoria, toda antena colocada nas

proximidades de uma superfície condutora – para o caso das freqüências de


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VHF a terra cumpre este papel – formará uma parte imaginária sua no outro

lado da superfície, o mesmo fato que ocorre quando se forma uma imagem

nossa em um espelho (LIMA, 2002). Surge assim um conjunto em antiparalelo

para uma antena horizontal, ao passo que para a antena vertical a imagem

continuará em fase com a antena real (ARRL, 1960).

O conjunto em antiparalelo, também chamado de interferômetro,

causará alguns pontos nos quais o sinal deixa de ser recebido, a quantidade e

a localização destes nulos dependerá da distância entre a antena real e sua

imagem (ARRL, 1987).

Neste momento, tornou-se imprescindível fazer uma medição

determinando a possível perda de sinal ocorrida em uma antena receptora com

relação a fontes de sinais com polarização cruzada e vertical, sendo a posição

da antena receptora na horizontal, a 45 graus e totalmente na vertical.

Efetuadas as medições encontramos os valores da tabela 1 para uma

altura de 2 metros da antena e da tabela 2 para uma altura de 9 metros,

respectivamente 0,67 e 3λ.

Tabela 1 – Medições a 2 metros do solo

Tipo x distância Recepção vertical

Recepção 45º Recepção horizontal

Vertical - 2,8 km 25 mV 16 mV 5,8 mV Circular - 0,9 km 24 mV 8 mV 2,5 mV Circular - 19 km 1,3 mV 2,2 mV 1,5 mV Circular - 2,8 km 8 mV 6 mV 3 mV Fonte: Pesquisa de campo (2011)

Tabela 2 – Medições a 9 metros do solo

Tipo x distância Recepção vertical Recepção 45º Recepção horizontal Vertical - 2,8 km 240 mV 160 mV 130 mV Circular - 0,9 km 200 mV 150 mV 70 mV Circular - 19 km 23 mV 19 mV 22 mV Circular - 2,8 km 55 mV 40 mV 12 mV Fonte: Pesquisa de campo (2011)

Analisando os valores obtidos percebe-se o acréscimo devido à

elevação da antena e também a menor influência da reflexão no solo para a

medição horizontal. A antena a 45º apresentou vantagem numa única medição,


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o mesmo ocorrendo para a horizontal, sendo o melhor desempenho obtido na

quase totalidade pela vertical.

Durante as medições decidiu-se variar a altura da antena mantendo a

mesma na horizontal ou vertical, conforme o caso. Desta forma observa-se

com a variação da altura, que em ambas as posições ocorrem variações de

sinal, entretanto a antena horizontal é bem mais influenciada com estas

variações. As medições em VHF são muito afetadas pelo solo e por reflexões

de objetos próximos (ORR e COWAN 1993).

A partir dos estudos iniciais e dos dados obtidos em campo foi possível

sugerir ao proprietário de uma nova emissora a ser instalada a configuração

vertical para o sistema irradiante. Tal emissora é da classe C, a qual visa

apenas a cobertura local do município de instalação, uma vez que opera com

pequena potência, 300W ERP (ANATEL, 1998).

Como o transmissor escolhido, neste caso, também era de 300W, se

fosse utilizado o sistema convencional circular seriam necessários dois

elementos. No caso do sistema vertical, apenas um elemento irradiante supriu

o ganho necessário.

A vantagem obtida foi a não existência do primeiro ponto de nulo, que

seria causado se o sistema de dois elementos fosse utilizado. Embora a

implantação seja recente, e em local não muito elevado, observou-se um ótimo

desempenho do sistema. Utilizando um veículo com antena de recepção na

vertical, a emissora foi acompanhada em uma rodovia, sem nenhuma queda de

sinal, até uma distância de 45 km, distância esta bem superior ao que se obtém

normalmente.

3. CONCLUSÃO

Nas últimas décadas as características dos receptores de FM mudaram

drasticamente, passou-se do receptor valvulado de mesa com antena externa

instalada no topo das edificações, para os receptores em veículos e também

receptores portáteis.

Em nossos dias, uma grande parcela dos receptores encontra-se


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incorporada aos telefones celulares, muitos dos quais tem sua antena em

conjunto com a fiação de ligação aos fones de ouvido. Esta nova configuração

dos receptores é, sem dúvida, mais um fator a ser levado em conta com

relação ao sistema irradiante das emissoras, pois estes novos equipamentos

terão maior eficiência com a configuração vertical.

Verificou-se ao longo de nosso trabalho que há necessidade de um

aprofundamento maior em estudos e medições para que se obtenham

melhores parâmetros de comparação. Há que se levar em conta às

peculiaridades dos relevos onde se pretenda fazer as implantações, tendo em

vista o atendimento dos novos equipamentos de recepção e principalmente

com relação à digitalização do sistema que deve vir em seguida.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGENCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES – ANATEL – Regulamento Técnico para Emissoras de Radiodifusão Sonora em Frequência Modulada, Disponível em: <http://www.mc.gov.br/images/radiodifusao/legislacao/sonora/frequencia-modulada-fm/RESOLUCaO-No-67---DE-12-DE-NOVEMBRO-DE-1998.pdf> Acessado em 5 maio 2011.

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BALANIS, C. A. , Advanced Engineering Electromagnetics, 6 ed, Tempe: John Wiley & Sons, 1989, 981p.

BBC RESEARCH DEPARTMENT, VHF-FM Radio Broadcasting, disponível em <http://www.bbc.co.uk/rd/lg/publications/rdreport_1986_13.shtml> Acessado em 5 maio 2011.

BLANK, S. J. Vertical Polarization and FM Transmitter Antenna Performance Optimization, disponível em : <http://iris.nyit.edu/~sblank/VPforFM.htm> Acessado em 12 maio 2011.

FEDERAL COMMUNICATION COMISSION – FCC- FM Antenna Systems, Disponível em : <http://edocket.access.gpo.gov/cfr_2009/octqtr/pdf/47cfr73.316.pdf> Acessado em 10 maio 2011.

GRUPO DE VHF DOS CAMPOS GERAIS – GVFHCG- Vertical ou Horizontal, Disponível em : <http://www.grupovhfcg.com.br/pages/tecnica_mat02.htm> Acesso


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em: 05 maio 2011.

HALÁSZ, I. T., Handbook do Radioamador, 1 ed, São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, 1993, 623p.

LIMA, A. C. DE C., Fundamentos de Telecomunicações – Teoria Eletromagnética e Aplicações, Salvador: Universidade Federal da Bahia, 2002, 335p.

NATIONAL ASSOCIATION OFF BROADCASTERS – NAB - , Engineering Handbook, 10 ed, Burlington: Edmund A. Williams, 2007, 2021p.

ORR, W. ; COWAM, S., Cubical Quad Antennas How to Build and Adjust, 3 ed, Lakewood: Radio Amateur Callbook, 1993, 109p.

SADIKU, M. N. O., Elements of Electromagnetism, 2 ed, Fort Worth : Saunders College Pub, 1994, 736p.


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