Rádio-Propagação e Antenas
Parte 1
–
Conceitos Básicos
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)
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.
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
I. Onda Eletromagnética
(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: frequência, período, comprimento de onda e velocidade
Fig. I.2 – Comprimento de Onda
I. Onda Eletromagnética
(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: frequência, período, comprimento de onda e velocidade
Fig. I.3 – Velocidade de propagação de uma onda
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
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
)
–
I. Onda Eletromagnética
(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Polarização
B atrasado 90 graus em relação a A
Fig. I.4 – Polarização circular à direita
I. Onda Eletromagnética
(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Polarização
Fig. I.5 – Polarização Vertical
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
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
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
I. Onda Eletromagnética
(1) Caracterização da Onda Eletromagnética: Polarização
Fig. I.9
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
.
2m
W
A
P
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
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.
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
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;
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
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
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
I. Onda Eletromagnética
(2) Interação com meios físicos: refração
Fig. I.14 – Lei de Snell
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):
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
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
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
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
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
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
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
II. Estudo da Rádio-Propagação
(1) Conceitos Básicos: Atenuação Total
Seja P
Txa potência transmitida em Watts (W)
e P
Rxa potência recebida em Watts(W). A
perda ou
atenuação total
entre o
transmissor e o receptor é dada por:
Tx Rx T
P
P
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
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
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
RxII. 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
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
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;
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;
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
II. Estudo da Rádio-Propagação
(1) Conceitos Básicos: Ganho de uma antena
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)
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
PTx Tx Tx P Rx Rx Rx
TX RX
PTX (W) PRX (W)
LTx LRx
LP
GTx GRx
(Fig. II.1) Representação esquemática simplificada de um enlace rádio
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