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2) Interações com meios físicos

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Academic year: 2019

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(1)

Rádio-Propagação e Antenas

Parte 1

Conceitos Básicos

(2)

I. Onda Eletromagnética

1) Caracterização da onda eletromagnética:

Definição

Frequência, período, comprimento de onda e velocidade

Polarização

Densidade superficial de potência

2) Interações com meios físicos

Difração (Princípio de Huygens)

Refração (Lei de Snell)

Reflexão especular e difusa (espalhamento)

(3)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética:Definição

 As ondas eletromagnéticas são ondas formadas pela combinação dos campos

magnético e elétrico que se propagam no espaço perpendicularmente um em relação ao outro e na direção de propagação da energia.

 James Clerk Maxwell, físico escocês, ficou conhecido por desenvolver o trabalho mais notável na área do eletromagnetismo no século XIX. Maxwell se apoiou nas leis

experimentais que foram descobertas pelos célebres cientistas Coulomb, Ampère, Faraday e deu a essas teorias uma nova visão, estruturando um conjunto de equações que resume todos os conhecimentos sobre o eletromagnetismo, as quais ficaram

conhecidas como equações de Maxwell.

(4)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: frequência, período, comprimento de onda e velocidade

 A frequência f expressa a quantidade de ciclos a oscilação eletromagnética

completa em 1 segundo;

 O período T é o inverso da frequência e corresponde ao tempo necessário para a oscilação completar um ciclo completo;

 O comprimento de onda  expressa a distância entre 2 picos (ou 2 vales) consecutivos do vetor campo elétrico na direção de propagação da onda;

 No intervalo igual a T segundos, a onda eletromagnética percorre  metros, logo sua velocidade de propagação é: v = /T;

 Mas T=1/f, então a velocidade de propagação (m/s) pode ser expressa como:

 A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no vácuo é igual a c = 3 x 108 m/s;

f

(5)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: frequência, período, comprimento de onda e velocidade

Fig. I.2 – Comprimento de Onda

(6)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: frequência, período, comprimento de onda e velocidade

Fig. I.3 – Velocidade de propagação de uma onda

(7)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Polarização

A polarização de um onda eletromagnética é

definida pela direção de oscilação do campo

elétrico em relação a um plano de referência,

usualmente, o plano terra;

Uma onda eletromagnética pode ter polarização:

Linear

Vertical (V) ou Horizontal (H)

Circular

RHCP e LHCP

Elíptica

idem circular, porém componentes V

(8)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Polarização

Polarização Circular: Uma onda circularmente

polarizada é obtida pela combinação de 2 ondas:

Linearmente polarizadas (V e H)

Com a mesma amplitude

Defasadas eletricamente de 90 graus

A polarização circular pode ser:

RHCP (

Right Hand Circular Polarization

)

polarização circular à direita

LHCP (

Left Hand Circular Polarization

)

(9)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Polarização

B atrasado 90 graus em relação a A

Fig. I.4 – Polarização circular à direita

(10)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Polarização

Fig. I.5 – Polarização Vertical

(11)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Polarização

Fig. I.6A – Campo Elétrico de uma onda verticalmente polarizada

http://www.qsl.net/py4zbz/antenas/p1.gif

Fig. I.6B – Amplitude do campo elétrico de uma onda

verticalmente polarizada

(12)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Polarização

Fig. I.7A – Campo Elétrico de uma onda horizontalmente polarizada

http://www.qsl.net/py4zbz/antenas/p2.gif

Fig. I.7B – Amplitude do campo elétrico de uma onda

horizontalmente polarizada

(13)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Polarização

Fig. I.8A – Campo Elétrico de uma onda circularmente polarizada

http://www.qsl.net/py4zbz/antenas/p4.gif

Fig. I.8B – Amplitude do campo elétrico de uma onda

circularmente polarizada

(14)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Polarização

Fig. I.9

(15)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Densidade Superficial de Potência

A densidade superficial de potência

S

(Eq. I.2)

expressa a quantidade de energia fluindo por

unidade de tempo através uma área

A

.





2

m

W

A

P

(16)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Densidade Superficial de Potência

 Considere o caso particular de um irradiador isotrópico no espaço livre com potência P. O irradiador isotrópico é uma antena

idealizada que irradia com a mesma intensidade em todas as direções. As frentes de onda geradas por esse irradiador são esferas centradas na antena;

 Considere uma frente de onda a uma distância R1 da fonte; a energia irradiada pela fonte distribui-se pela superfície desta esfera;

 A densidade superficial de potência a uma distância R1 da fonte é:

2 1 1 4 R P S

(17)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Densidade Superficial de Potência

 À medida que a frente de onda se afasta da antena, a densidade superficial de potência diminuiu, pois a área da frente de onda aumenta, mas a energia fluindo por unidade de tempo (a potência)

através da frente de onda é a mesma; Então, se

R2>R1, S2<S1.

(18)

I. Onda Eletromagnética

(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Densidade Superficial de Potência

Fig. I.11 – Representação esquemática da frente de onda gerada por uma antena diretiva

(19)

I. Onda Eletromagnética

(2) Interação com meios físicos: difração

 A difração ocorre quando a onda eletromagnética encontra um obstáculo de dimensões da mesma ordem de grandeza do

comprimento de onda: parte da energia é perdida, e uma parte

“contorna” o obstáculo;

(20)

I. Onda Eletromagnética

(2) Interação com meios físicos: difração

 A difração pode ser explicada pelo princípio de Huygens, que afirma que, cada ponto em uma frente de onda comporta-se como um

irradiador isotrópico; assim, embora parte do irradiadores isotrópicos

seja bloqueada pelos obstáculos, a parte entre os obstáculos não é obstruída, e gera novas frentes de onda esféricas

(21)

I. Onda Eletromagnética

(2) Interação com meios físicos: refração

 A refração é a mudança de direção de propagação da onda eletromagnética quando ela passa de um meio com um certo índice de refração para outro com um índice de refração

diferente;

 O índice de refração (n) de um meio físico expressa a razão entre a velocidade de propagação da luz no vácuo (c) e velocidade de propagação da onda eletromagnética no meio considerado (v);

 Como nenhuma velocidade é superior ou igual a da luz no vácuo, o índice de refração de um meio físico é sempre maior que 1;

v

c

(22)

I. Onda Eletromagnética

(2) Interação com meios físicos: refração

(Eq. I.5)

 A mudança de direção de propagação da onda eletromagnética quando ela passa de um meio com um certo índice de refração para outro com um índice de refração diferente pode ser

calculada pela Lei de Snell

2 2

1

1

sen

n

sen

n

 n1 e n2 são os índices de refração dos meios 1 e 2, respectivamente

(23)

I. Onda Eletromagnética

(2) Interação com meios físicos: refração

Fig. I.14 – Lei de Snell

(24)

I. Onda Eletromagnética

(2) Interação com meios físicos: reflexão

 Na reflexão especular (sobre superfícies lisas):

 O ângulo de incidência e o ângulo de reflexão iguais;

 O raio incidente, refletido e a reta normal são coplanares;

 Na reflexão difusa (sobre superfícies rugosas):

(25)

I. Onda Eletromagnética

(2) Interação com meios físicos: reflexão

Uma superfície refletora é classificada como lisa ou

rugosa através do

critério de Rayleigh

(que será

estudado na Parte 2B );

A classificação de uma superfície como lisa ou rugosa

depende das irregularidades desta superfície (no

caso da reflexão sobre o solo, isso equivale a

(26)

I. Onda Eletromagnética

(3) Faixas de Rádio-Frequência

Nome da faixa Faixa de Frequências

Comprimento de Onda

Mecanismo de Propagação Aplicações

ELF (Extremely Low Frequency)

3 –300 Hz 100.000 –1000 km Onda “guiada” entre a ionosfera e a superfície da Terra e refratada no solo e no mar

Comunicação com submarinos

ULF (Ultra Low Frequency)

0.3–3 kHz 1000 – 100 km Onda “guiada” entre a ionosfera e a superfície da Terra e refratada no solo e no mar

Comunicação em minas

VLF (Low Frequency)

3 –30 kHz 100 –10 km Onda “guiada” entre a ionosfera e a superfície da Terra e refratada no solo e no mar

(27)

I. Onda Eletromagnética

(3) Faixas de Rádio-Frequência

Nome da faixa Faixa de Frequências

Comprimento de Onda

Mecanismo de Propagação Aplicações

LF (Low Frequency)

30 –300 kHz 10 – 1 km Onda “guiada” entre a ionosfera e a superfície da Terra

Telegrafia para navios com alcance mundial

MF (Medium Frequency)

0.3 –3 MHz 1 km–100 m Onda de Superfície Reflexão na ionosfera

Rádio-difusão (AM)

HF (High Frequency)

3 –30 MHz 100 –10 m Onda de superfície Reflexão na ionosfera

(28)

I. Onda Eletromagnética

(3) Faixas de Rádio-Frequência

Nome da faixa Faixa de Frequências

Comprimento de Onda

Mecanismo de Propagação Aplicações

VHF (Very High Frequency)

30 –300 MHz 10 – 1 m Visibilidade Difração

Rádio-difusão (FM) TV analógica

UHF(Ultra High Frequency)

0.3–3 GHz 1 m –10 cm Visibilidade TV analógica TV digital

Telefonia móvel celular

WLANs SHF (Super High

Frequency)

3 –30 GHz 10 cm –1 cm Visibilidade

Atenuação por chuvas (acima de 10 GHz)

WLANs

Comunicação com satélites

(29)

II. Estudo da Rádio-Propagação

1) Conceitos básicos

 Enlace rádio  Atenuação total

 Atenuação de propagação

 Potência transmitida e recebida

 Antenas: diagrama de irradiação, antena de referência (irradiador isotrópico), ganho (dBi)

 EIRP (Effective Isotropic Radiated Power)

2) Tipos de Enlaces Rádio

 Ponto a ponto  Ponto-multiponto  Ponto-área

3) Mecanismos de propagação

 Rádio-Visibilidade(espaço livre e terra plana)  Difração (na terra esférica lisa e em obstáculos)  Reflexão Ionosférica

(30)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Enlace Rádio

PTX (W) – potência transmitida PRX (W) – potência recebida

LTx – atenuação em cabos e conectores na estação transmissora LRx – atenuação em cabos e conectores na estação receptora LP – atenuação de propagação

G1 – Ganho da antena transmissora G2 – Ganho da receptora

EIRP (W) – Potência isotrópica efetivamente irradiada (Effective Isotropic Radiated Power)

TX RX

PTX (W) PRX (W)

LTx LRx

LP

G1 G2

(Fig. II.1) Representação esquemática simplificada de um enlace rádio

(31)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Enlace Rádio

No estudo da rádio-propagação, o objetivo é

calcular a potência recebida de um sinal em um

dado ponto, sendo conhecida a potência de

transmissão deste sinal;

Para tal, é necessário estimar as perdas

(também denominadas atenuações) entre o

transmissor (Tx) e o receptor (Rx);

Essas perdas ocorrem naturalmente à medida

(32)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Atenuação Total

Seja P

Tx

a potência transmitida em Watts (W)

e P

Rx

a potência recebida em Watts(W). A

perda ou

atenuação total

entre o

transmissor e o receptor é dada por:

Tx Rx T

P

P

(33)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Atenuação Total

 A atenuação total é um parâmetro adimensional (sem

unidade), uma vez que é obtido pela razão de 2 parâmetros com a mesma unidade

 A atenuação total, dada pela Eq. (II.2), engloba todas as perdas ocorridas ao longo do enlace (percurso do Tx ao Rx)

• Atenuação em cabos e conectores na estação transmissora (LTx);

Atenuação de propagação entre a antena transmissora e a antena receptora (LP);

• Atenuação em cabos e conectores na estação receptora (LRx);

Rx P

Tx

T

L

L

L

(34)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Atenuação Total

Devido à grande diferença entre os valores de

potência recebida e transmitida, é usual

representá-los na

escala logarítmica

;

Na escala logarítmica, a Eq. (II.1) e a Eq. (II.2)

tornam-se, respectivamente:

 

dB

P

dBm

P

dBm

L

T

RX

TX (Eq. II.3)

 

dB

L

 

dB

L

 

dB

L

 

dB

(35)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Potência Transmitida e Recebida

Igualando as equações (II.3) e (II.4), obtém-se:

Isolando o termo da potência recebida, tem-se:

 

dB

L

 

dB

L

 

dB

P

dBm

P

dBm

L

Tx

P

Rx

Rx

Tx

(Eq. II.5)

dBm

P

dBm

L

 

dB

L

 

dB

L

 

dB

P

Rx

Tx

Tx

P

Rx

(36)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Exemplos

Exemplo (II.1): Um transmissor de RF tem uma potência de 20 W; um receptor recebe esse sinal com uma potência de 10 nW. Calcule:

a) A atenuação total no enlace (em dB);

b) Dado que as perdas nos cabos e conectores nas estações

transmissora e receptora são 3 dB e 1 dB, respectivamente, calcule a atenuação de propagação no enlace;

Exemplo (II.2): Um receptor recebe um sinal de RF com uma

potência de 1 W. Sabendo que a perda total no enlace é de 80 dB, calcule a potência transmitida em dBm.

Exemplo (II.3): O limiar de um receptor de RF é 1 pW. Assumindo que ele deve detectar o sinal de um transmissor com potência 10 W, qual a perda máxima de propagação admissível no percurso, dado que as perdas em cabos e conectores nas estações

(37)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Antenas

 A antena recebe a energia da linha de transmissão (meio guiado) e a irradia para o espaço (meio não guiado);

 As antenas serão estudadas mais detalhadamente mais à frente neste curso; agora

pretende-se introduzir apenas os conceitos de:

• Diagramas de irradiação • Antena de referência

(irradiador isotrópico) • Ganho de um antena

(38)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Diagramas de Irradiação

 As antenas reais não irradiam a onda eletromagnética com a mesma intensidade em todas as direções;

 O diagrama de irradiação de uma antena mostra como a antena irradia a energia

eletromagnética para o espaço, mostrando a intensidade relativa de irradiação em cada direção;

 A irradiação dá-se no espaço tridimensional, mas, por

simplicidade, o diagrama de irradiação de uma antena é apresentado em 2 planos: vertical e horizontal;

(39)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Diagramas de Irradiação

 O diagrama de irradiação ilustra, em cada direção

(ângulo), o quanto a antena irradia em relação à antena de referência (irradiador isotrópico)

 O irradiador isotrópico é uma antena idealizada de

referência, que irradia com a mesma intensidade em todas as direções;

 O diagrama de radiação horizontal do irradiador isotrópico esta indicado em vermelho na Figura II.4;

(40)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Ganho de uma antena

 O ganho de uma antena expressa o quanto a antena concentra a energia em uma dada direção, em relação a antena de referência (por enquanto, somente o irradiador isotrópico);

 Essa relação é tipicamente expressa em dB (escala logarítmica);

 Normalmente, acrescenta-se um “i” ao final do “dB”, para indicar que o ganho está expresso em relação ao irradiador isotrópico;

 Por exemplo, do diagrama de radiação horizontal da Figura (II.4), observa-se que a antena tem um ganho de 5 dBi na direção de 35 graus; isso significa que, nessa direção, a antena irradia com uma intensidade aproximadamente igual 3,16 vezes à intensidade

(41)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos: Ganho de uma antena

(42)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos:EIRP

 A potência que é efetivamente irradiada não é a potência de

transmissão; as perdas na estação transmissora (entre a saída do transmissor e a entrada da antena) devem ser descontadas, e o ganho da antena deve ser incluído;

 Como o ganho da antena depende da direção, a EIRP deve ser calculada na direção de interesse, ou seja, na direção do

receptor, sendo dada por:

dBm

P

dBm

L

 

dB

G

 

dB

EIRP

,

Tx

Tx

,

(Eq. II.7)

(43)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos:EIRP

 A equação do enlace da Fig.II.1, incluindo agora os ganhos das antenas, seria:

(Eq. II.8)

dBm

L

 

dB G

 

dBi L

 

dB G

 

dBi L

 

dB P

dBm

PTxTxTxPRxRxRx

TX RX

PTX (W) PRX (W)

LTx LRx

LP

GTx GRx

(Fig. II.1) Representação esquemática simplificada de um enlace rádio

(44)

II. Estudo da Rádio-Propagação

(1) Conceitos Básicos:Mais Exemplos

Exemplo (II.4): Utilizando os diagramas de radiação do próximo slide e os

parâmetros do enlace, calcule a atenuação de propagação máxima admissível para que o enlace opere normalmente.

i. Potência de transmissão: 10 W

ii. Assumir antena isotrópica para a estação receptora iii. Ganho da antena transmissora: 20 dBi

Imagem

Fig. I.1  – Onda Eletromagnética
Fig. I.2  – Comprimento de Onda
Fig. I.3  – Velocidade de propagação de uma onda
Fig. I.4  – Polarização circular à direita
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