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Índice
- Introdução________________________________________________________
- Unidade 1 – Propagação de Ondas_____________________________________
- Introdução__________________________________________________
- Ondas_____________________________________________________
- Características de ondas eletromagnéticas_________________________
- As formas de propagação _____________________________________
- Ionosfera: a camada ionizada___________________________________
- Freqüências x transmissões de rádio _____________________________
- Referências para aprofundamento________________________________
- Unidade 2 – Geração de Ondas Eletromagnéticas e Circuitos Oscilantes_______
- Introdução__________________________________________________
- Os elementos que constituem o rádio_____________________________
- Oscilações num circuito indutor-capacitor_________________________
- Sintonizando uma estação de rádio_______________________________
- As leis de indução e a onda eletromagnética_______________________
- Referências para aprofundamento________________________________
- Unidade 3 – Antenas________________________________________________
- Introdução__________________________________________________
- O que é uma antena __________________________________________
- Principais características das antenas_____________________________
- As antenas__________________________________________________
- Antenas lineares_____________________________________________
- Conjuntos__________________________________________________
- Antenas de aberturas__________________________________________
- Antenas inteligentes__________________________________________
- Referências para aprofundamento________________________________
- Considerações finais________________________________________________
- Referências bibliográficas____________________________________________
- Sítios consultados__________________________________________________
Unidade 1 – Propagação de Ondas
Introdução
Para se estabelecer uma comunicação à distância entre pessoas faz-se necessário a emissão de algum tipo de sinal. Seja utilizando algum equipamento eletrônico, como um telefone, ou simplesmente conversando ou acenando à distância, há sempre um elemento constituinte fundamental: as ondas!
Ondas
Uma onda é qualquer sinal que se transmite de um ponto a outro do espaço com velocidade definida. A onda transporta energia sem ocorrer transporte de matéria. É comum classificarmos as ondas quanto à sua natureza e forma de propagação.
Quanto à natureza as ondas podem ser:
Ondas mecânicas: A energia é transportada mediante a perturbação do meio em que ocorre a propagação. Isso ocorre quando o meio tem propriedades elásticas. Como exemplos, podemos citar as ondas na água (Fig. 1.1), ondas na corda de um violão, ondas sonoras.
Figura 1.1 – Ondas na água. Exemplo de ondas mecânicas.
Ondas eletromagnéticas: Nas ondas eletromagnéticas a energia é transportada por campos elétricos e magnéticos. A propagação pode ocorrer tanto em meios materiais como no vácuo. A energia luminosa se propaga como uma onda eletromagnética (Fig. 1.2).
Figura 1.2 – Representação de onda eletromagnética.
Quanto à direção de oscilação, as ondas podem ser:
Transversais: nesse caso , a direção de oscilação é perpendicular à direção de propagação da onda. Observe no exemplo da Fig. 1.3 que a oscilação ocorre na vertical e a onda se propaga na horizontal. As ondas eletromagnéticas são exemplos de ondas transversais.
Figura 1.3 – Onda transversal.
Longitudinais: nesse caso, a direção de oscilação é paralela à direção de propagação da onda. Observe no exemplo da Fig. 1.4 que tanto a direção de oscilação como a direção de propagação ocorrem na horizontal. Um exemplo de onda longitudinal é o som propagando-se em fluidos (líquidos e gases).
Figura 1.4 – Onda longitudinal.
Importante
Todas as ondas eletromagnéticas são transversais.
Ondas na água não são nem longitudinais nem transversais, mas uma combinação desses dois modos. Ondas sísmicas têm componentes longitudinais e transversais mas com velocidades diferentes. Nos líquidos e nos gases o som é uma onda exclusivamente longitudinal. Nos sólidos o som se transmite por vibrações longitudinais e transversais, sendo uma onda mista.
Nomenclatura
Uma onda é caracterizada pelos seguintes elementos, representados na Fig. 1.5:
Vale a relação entre período e freqüência:
Sendo v a velocidade de propagação da onda e f sua freqüência, tem-se:
Características de ondas eletromagnéticas
Ondas eletromagnéticas são campos elétricos e campos magnéticos (veja caixa de texto na próxima página) que oscilam em direções perpendiculares à direção de propagação (ou seja, são ondas transversais) e podem se propagar tanto no vácuo como em meios materiais.
Todas as ondas são caracterizadas por uma propriedade chamada propagação. Vibrações em um ponto específico no espaço excitam vibrações similares nos pontos vizinhos e assim a onda se propaga.
Numa onda eletromagnética, o campo elétrico e o campo magnético são co- dependentes: uma variação no campo magnético induz um campo elétrico e uma variação no campo elétrico induz um campo magnético. Esse fenômeno se chama indução eletromagnética, e será tratado com mais detalhe na Unidade 2. As variações dos vetores campo magnético e elétrico ocorrem em fase, de tal maneira que os picos e os vales ocorrem ao mesmo tempo nas duas ondas (Fig. 1.7).
Figura 1.7 – Onda eletromagnética – Campo elétrico ( ) e campo magnético ( ) oscilando em fase (no vácuo). As ondas eletromagnéticas se propagam com uma velocidade que depende do meio de propagação e da freqüência da onda. No vácuo a velocidade de propagação é de aproximadamente 3x10^8 m/s. Esse valor é comumente chamado de velocidade da luz no vácuo e é representado pela letra “c”. Em meios materiais, a velocidade de
propagação da onda eletromagnética é menor do que no vácuo, mas ainda assim muito alta.
Campo Elétrico
A presença de cargas elétricas no espaço físico altera as propriedades desse mesmo espaço.
Assim, se uma carga de prova é colocada na presença de outras cargas, sobre ela atuará uma força que denominamos força elétrica. Trata-se de uma força à distância; não é necessário haver contato material entre as cargas.
Dizemos, então, que há um campo elétrico nessa região do espaço. O campo elétrico é convenientemente representado por linhas de força. A tangente a uma linha de força em um dado ponto corresponde à direção da força que sofre uma carga de prova se for colocada em repouso nesse ponto.
Na Fig. 1.8 são representados, através das linhas de força, campos elétricos associados a diferentes distribuições de carga.
Fig. 1.8 – Linhas de força associadas a campos elétricos de cargas: (a) carga pontual positiva; (b) duas cargas pontuais de mesma magnitude e sinais contrários; (c) duas placas condutoras paralelas com distribuições superficiais de carga de mesma magnitude e de sinais contrários.
Campo Magnético
Cargas elétricas em movimento em um condutor (por exemplo, um fio elétrico)
- o que se denomina corrente elétrica – alteram as propriedades do espaço.
Se uma carga de prova em movimento (aqui é essencial que a carga esteja animada com uma velocidade não nula) é colocada nessa região do espaço, sobre ela pode atuar uma força. A essa força denominamos força magnética. Como no caso da força elétrica, trata-se aqui também de uma força de ação à distância. Dizemos então que há um campo magnético nessa região do espaço.
Além de correntes elétricas, campos magnéticos podem também ser produzidos por certos materiais chamados materiais magnéticos, como, por exemplo, os imãs.
O campo magnético pode ser convenientemente representado no espaço por linhas de indução magnética. Essas linhas são tais que a força magnética, em um dado
Designações usuais Siglas Faixa de freqüência
Comprimento de onda ondas muito longas VLF - Very Low Frequency Freqüência muito baixa 3 a 30 kHz 10 km - 100 km ondas quilométricas ondas longas
LF - Low Frequency Freqüência baixa 30 a 300 kHz 1 km - 10 km ondas hectométricas ondas médias
MF - Medium Frequency Freqüência média 300 a 3000 kHz 100 m - 1 km ondas decamétricas ondas curtas ou tropicais
HF - High Frequency Freqüência alta 3 a 30 MHz 10 m - 100 m ondas métricas ondas muito curtas
VHF - Very High Frequency Freqüência muito alta 30 a 300 MHz 1 m - 10 m ondas decimétricas ondas ultra curtas
UHF – Ultra High Frequency Freqüência ultra alta
300 a 3000 MHz 10 cm - 1 m ondas centimétricas microondas
SHF – Super High Frequency Freqüência super alta 3 a 30 GHz 1 cm - 10 cm ondas milimétricas EHF - Extremely High Frequency Freqüência extremamente alta 30 a 300 GHz 1 mm - 1 cm Tabela 1.1 – O espectro de radiofreqüência: designações e faixas.
Tabela 1.2 – O espectro de radiofreqüência e a escala de freqüências.
As formas de propagação^1
Até agora vimos que as ondas de rádio são ondas eletromagnéticas de uma determinada faixa de freqüência (ou comprimentos de onda) que se propagam de forma transversal e viajam, no vácuo, com velocidade aproximada de 3.10^8 m/s. São essas ondas de rádio que são emitidas pela antena transmissora e chegam à antena receptora. Elas serão o foco da nossa atenção a partir de agora.
As principais formas de propagação das ondas de rádio, emitidas pela antena e captadas por algum receptor, de maneira geral, podem ser classificadas de duas formas:
1 – Ondas terrestres : são as ondas de rádio que acompanham a superfície da Terra, sofrendo influência do relevo e do solo, podendo ser classificadas como:
a) ondas de superfície: este tipo de propagação ocorre, como o próprio nome diz, próxima a superfície do planeta, acompanhando sua curvatura. As ondas de superfície são atenuadas pelo solo.
b) ondas espaciais : são ondas que se propagam acima da superfície da Terra. Elas são emitidas por antenas altas (para altas freqüências essas antenas elevam-se do solo vários comprimentos de onda) e por isso não sofrem atenuação do solo. Uma de suas formas de propagação é chamada de onda direta ou propagação em linha de visibilidade (Fig. 1.11 – trajeto 1). Nesse caso uma antena “enxerga” a outra, ou seja, não há nenhum obstáculo entre os extremos das duas antenas. A outra forma de propagação da onda espacial é a onda refletida (Fig. 1.11 – trajeto 2), que também atinge a antena receptora mas por reflexão no solo ou em obstáculos adjacentes.
2 – Ondas ionosféricas : são ondas emitidas em direção ao céu que podem se propagar por reflexão ionosférica (uma reflexão ou múltiplas reflexões). Também são conhecidas por ondas celestes (Fig. 1.12).
Nas figuras 1.11 e 1.12 é possível observar os diferentes trajetos que a onda pode fazer entre a antena transmissora e a antena receptora. Quando a antena transmissora emite um sinal, esse pode se propagar como onda terrestre ou como onda ionosférica. A onda terrestre pode se propagar sobre o solo, sendo chamada de onda de superfície, ou ser emitida por antenas altas e ser denominada onda espacial. Esta onda espacial, por sua vez, pode se propagar em linha de visibilidade ou por reflexão no terreno (Fig. 1.11, trajetos 1 e 2 respectivamente). A onda ionosférica pode ser mais ou menos afetada pela ionosfera (ver caixa de texto na página 15), e, dependendo da sua freqüência, pode ser refletida de volta a Terra (Fig. 1.12, trajeto 3 e 4), ou se propagar em direção ao espaço e não mais retornar (Fig. 1.12, trajeto 5). O esquema na página 12 mostra um resumo das principais formas de propagação, que serão detalhados a seguir.
(^1) Utilizamos aqui o termo “formas de propagação” para designar as diferentes maneiras como as ondas se
propagam desde a antena transmissora até a antena receptora. Num uso diferente do que aqui se faz, chama-se, algumas vezes, de “formas de propagação” ao fato das ondas se propagarem segundo oscilações transversais ou longitudinais.
A onda terrestre
A onda terrestre é a onda que se propaga próximo à superfície do planeta, atingindo a antena receptora sem deixar a atmosfera inferior. Ela pode viajar fazendo contato com o solo (onda de superfície), ou diretamente entre as antenas transmissoras e receptoras, quando essas são grandes o suficiente para que uma “veja” a outra (onda espacial).
Quando as ondas se propagam fazendo contato com o solo, ondas de superfície, elas sofrem severa atenuação por absorção. Essas perdas são por resistência ôhmica devido à condutividade da terra. Em outras palavras, o sinal aquece a terra perdendo energia. A atenuação das ondas de superfície aumenta rapidamente com o aumento da freqüência.
A altas freqüências (acima de alguns megahertz) a onda é rapidamente atenuada. A onda de superfície passa a ser importante então a baixas freqüências, principalmente em radiodifusões que usam polarização vertical^2.
Essa atenuação faz com que as ondas de superfície com polarização vertical se curvem acompanhando o contorno da Terra, tornando possível a transmissão de ondas de baixas freqüências a grandes distâncias, quando o sinal emitido pela antena transmissora tem elevada potência.
Na propagação entre duas antenas situadas na “linha de visão”, que é a forma mais simples de comunicação de sinais entre duas antenas, a energia viaja diretamente entre essas antenas e, a menos que elas sejam muito altas ou estejam muito próximas, uma porção apreciável de energia é refletida no solo. Essa onda refletida, combinada com a onda direta, afeta o sinal recebido.
A interação entre a onda direta e a onda refletida é a principal causa de interferências observadas na recepção de ondas na faixa de VHF (FM) nos rádios receptores dos automóveis e por “fantasmas” na recepção do sinal de TV. Essa interação pode, até mesmo, proporcionar interferência destrutiva entre os sinais direto e refletido, reduzindo drasticamente a intensidade do sinal recebido a níveis insuficientes para serem captados^3.
Na faixa de UHF a reflexão no solo é eliminada pois a radiação da antena nessa faixa se comporta como um “feixe de luz”, e a propagação se dá em linha de visibilidade.
A comunicação via satélite, embora seja longe da superfície do planeta, é, em princípio, feita de forma direta ente a antena situada na Terra e o satélite, sofrendo apenas desvios causados pela influência da atmosfera.
(^2) A polarização de uma onda é definida como sendo a direção em que ocorrem as oscilações. No caso da
onda eletromagnética, a polarização é determinada pela direção de oscilação do campo elétrico, como veremos na Unidade 3. (^3) Na Unidade 3 veremos que esta interação entre a onda direta e a onda refletida pode também perturbar
o sinal captado pelo telefone celular.
A onda ionosférica
Pode-se dizer que a onda ionosférica é a onda que se propaga em direção ao céu e que é refletida ou refratada pelas camadas da ionosfera.
As ondas que são emitidas em direção ao céu seriam perdidas no espaço se não houvesse uma forma de fazê-las retornar à Terra. Dependendo da freqüência do sinal, a ionosfera (ver caixa de texto na próxima página) se comporta como uma camada refletora para essas ondas, podendo-se estabelecer comunicação a longas distâncias por reflexão ionosférica.
A máxima distância que o sinal pode atingir em uma única reflexão na atmosfera é cerca de 4000 km. Distâncias maiores são cobertas por várias reflexões do sinal (Fig. 1.13).
Figura 1.13 – Reflexões ionosféricas.
A propagação das ondas de rádio pela ionosfera tem uma maior importância para comunicações nas faixas de VLF, LF, MF e HF, quando são aproveitados os efeitos das reflexões e refrações. Em freqüências mais altas, logo após o início da faixa VHF (por volta de 50 MHz), a ionosfera é praticamente transparente às ondas eletromagnéticas, havendo então a necessidade do uso de comunicação via satélite para essas altas freqüências.
Como a atmosfera afeta a propagação das ondas de rádio?
A ionosfera, por ser uma camada ionizada, interage com as ondas eletromagnéticas, podendo mudar a direção de propagação dessas ondas. Quando a radiação eletromagnética penetra na ionosfera, os elétrons livres dessa camada absorvem parte da energia da onda e, dependendo da freqüência de oscilação do sinal, esses elétrons começam a vibrar. As cargas elétricas dos elétrons em oscilação geram campos elétricos variáveis que, de acordo com as leis de indução que veremos mais detalhadamente na Unidade 2, produzem ondas eletromagnéticas que passam a se propagar com velocidades diferentes da onda original. A esse fenômeno dá-se o nome de refração (ver caixa de texto a seguir).
Refração
Quando uma onda de comprimento de onda λ penetra em um outro meio, diferente do anterior, ela sofre uma mudança de velocidade de propagação. A esse fenômeno dá-se o nome de refração. A variação de velocidade pode vir acompanhada também de uma variação na direção de propagação, que pode ser determinada pela Lei de Snell-Descartes (Fig. 1.15):
onde i é o ângulo de incidência e r o ângulo de refração e n 1 e n 2 são os índices de refração absolutos dos meios 1 e 2 respectivamente. O índice de refração absoluto n de um material é definido como a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz v no material. O índice de refração absoluto é expresso por
O índice de refração absoluto depende do meio e do comprimento de onda λ da luz. Quanto maior for o índice de refração absoluto da onda no meio, mais “difícil” é para essa onda se propagar e, conseqüentemente, menor é a velocidade de propagação. O estudo dos índices de refração da atmosfera é fundamental para se entender como se dá a trajetória das ondas de rádio.
Figura 1.15 – Incidência oblíqua.
Quando a onda de rádio atinge a ionosfera, ela pode ou não penetrá-la, dependendo do ângulo crítico.
Ângulo crítico
Para compreender melhor como ocorre a propagação da onda na ionosfera, podemos examinar as leis da refração, no domínio da óptica geométrica e, em seguida, estabelecer um paralelo com o que ocorre com as ondas de rádio. Para isso, considere um aquário preenchido com água até a metade. Um raio proveniente de uma lâmpada submersa no aquário irá se propagar através da água até atingir a superfície de separação dos dois meios podendo, parte dele, refratar e passar a se propagar no ar ou ser refletido de volta à água (Fig. 1.16).
Observe que o fato determinante aqui é se o raio incide com um ângulo maior ou menor que um determinado ângulo crítico (também chamado de ângulo limite). Desprezando-se efeitos de absorção, caso o ângulo de incidência seja menor que o ângulo crítico (raio 1), parte dele será refratado e parte será refletido; caso o ângulo de incidência seja maior que o ângulo critico (raio 2) ocorrerá reflexão total.
O ângulo crítico depende da densidade dos meios de propagação e do comprimento de onda (ou freqüência) do raio.
Figura 1.16 – Óptica geométrica: Ângulo crítico. O mesmo princípio se aplica às ondas de rádio. Observe que no exemplo acima a água é mais densa que o ar. Analogamente, uma onda de rádio que se origina na superfície da Terra e se propaga em direção ao espaço pode ser refratada através das camadas da atmosfera (que, em geral, têm sua densidade diminuída com o aumento da altitude) e se perder no espaço, ou pode ser refletida de volta ao planeta. Mais uma vez, o fator determinante é o ângulo crítico. Novamente, o ângulo crítico depende da densidade das camadas da atmosfera e do comprimento de onda da onda incidente.
Figura 1.18 – Comprimento e Zona de Salto.
Você sabia que...
Dependendo da freqüência da onda utilizada, o contato de um rádio-amador brasileiro com um japonês é melhor estabelecido quando a onda se propaga pelo lado do planeta onde é noite, pois ocorre um menor número de reflexões e perdas no solo. Ou seja, quando é de manhã no Brasil (e noite no Japão), os radioamadores devem orientar suas antenas para que o contato entre elas ocorra pelo oceano Pacífico. Quando é noite no Brasil (e de manhã no Japão), as antenas devem ser posicionadas de maneira que a propagação ocorra sobre o oceano Atlântico, Europa e Ásia.
As ondas de rádio, após serem refletidas pela ionosfera, atingem a Terra, sendo refletidas atingindo novamente a ionosfera e assim sucessivamente, mantendo basicamente o mesmo ângulo de reflexão. Como a cada reflexão parte da energia da onda é dissipada, esse processo continua até que a onda seja totalmente absorvida.
Há muitos trajetos pelos quais uma onda do céu pode se propagar de uma antena transmissora a uma antena receptora. As mais simples são aquelas que atingem a camada F da ionosfera.
Algumas modalidades de propagação mais complexas consistem em combinações de reflexões entre as camadas E e F e a Terra, e na formação de “dutos” (Fig. 1.19). A forma de propagação em dutos envolve um número de reflexões na ionosfera sem ocorrerem reflexões intermediárias na Terra. A inversão de temperatura na atmosfera, e conseqüente alteração dos índices de refração das camadas, pode provocar a formação de um duto, similar a um guia de onda ou a uma fibra óptica, permitindo comunicação a longa distância desde as baixas freqüências de VHF até microondas.
Figura 1.19 – Propagação complexa e propagação por duto.
Vamos recordar que a refração é um fenômeno ondulatório e ocorre quando a onda passa a se propagar em meio diferente do anterior (meios que possuem diferentes índices de refração). Como a densidade do ar – e também o índice de refração – normalmente diminuem com o aumento da altitude, a trajetória da onda será encurvada proporcionalmente a essa diferença entre os índices de refração das camadas da atmosfera, fazendo com que o sinal, na faixa de UHF e microondas, seja encurvado para baixo (Fig. 1.20).
Figura 1.20 – Encurvamento da trajetória da onda (arco descendente) em camadas com índices de refração variável com a altitude.
