As Ondas de Rádio

- é amplificado de
4
As Ondas de Rádio
•
4.1 Introdução
Ondas de rádio ou ondas hertzianas são campos eletromagnéticos de alta frequência,
não audíveis e não visíveis pelo homem, irradiados pela antena do radiotransmissor.
: --endo-se que sua
- ~ P onde se loca-
Em engenharia elétrica, o estudo da onda de rádio é feito com o auxílio da matemática
vetorial, no espaço tridimensional e com base nos campos elétrico e magnético na disciplina
Eletromagnetismo. A maneira simples e prática de apresentação da matéria, no presente
capítulo, visa apenas o entendimento do mecanismo de formação e de propagação da onda,
tendo sido abandonado o complexo tratamento matemático que dá suporte à teoria.
O radiotransmissor é o aparelho eletrônico gerador da onda alternada senoidal, numa
certa frequência , que alimenta a antena.
-
com F= 5,
~epita o proble-
K. Sabendo-se
z é G = 40 dB
- 3 dBm. Deter-
A antena, feita de condutor metálico, tem por função na transmissão converter a corrente
elétrica em energia radiante (onda eletromagnética) e, inversamente, na recepção captar a
onda de rádio e convertê-la em corrente elétrica.
As ondas hertzianas podem ser geradas em qualquer frequência, entretanto são mais
usadas em telecomunicações acima dos 100kHz.
A onda irradiada pela antena transmissora vai perdendo potência ao longo do percurso
no espaço livre e se contamina com ruído elétrico, sempre presente no canal de comunicações.
O modo de propagação da onda, estudado no capítulo 9, Radiopropagação, vai depender
principalmente da faixa em que se enquadra a frequência de transmissão.
Gerada pelo transmissor, em sua forma original, sem modulação, a onda portadora ou
carrier é usada nas comunicações em telegrafia manual, chaveada em código Morse. Quando
modulada pelo sinal da informação, em amplitude (AM) ou em frequência (FM), no transmissor,
pode transportar a voz, a música, a imagem e os dados das comunicações digitais.
A demodulação da onda é a operação realizada na recepção, que retira o sinal de informação da onda portadora.
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As Ondas de Rádio
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Resumidamente, o radioenlace de comunicações se desenvolve entre as antenas transmissora, localizada em A, e receptora, localizada em 8, conforme a ilustração na Figura 4.1.
O meio físico entre antenas é denominado de espaço livre.
Antena
transmissora
Antena
receptora
-------------------·
Sentido da irradiação
Espaço livre
Microfone
A
B
Alto-falante
•
Figura 4.1 -Diagrama em blocos de um radioenlace entre dois pontos.
•
4.2 O transmissor e a linha de transmissão
O transmissor é o aparelho eletrônico gerador da corrente senoidal de radiofrequência
(RF) na frequência f0 , que alimenta a antena com intensidade IRF · A corrente sai do transmis- ,
sor, atravessa uma linha de transmissão (LT) e chega à antena, onde é convertida em energia
radiante (onda eletromagnética).
A linha de transmissão (LT) pode ser um cabo coaxial, um par de fios trançados ou paralelos. Quando em frequências superaltas (micro-ondas), a linha de transmissão é um guia de
onda, uma peça metálica oca, geralmente de seção circular ou retangular.
A linha de transmissão e a antena serão estudadas nos capítulos 7 e 8 respectivamente.
4.3 O receptor e a linha de recepção
O receptor é o aparelho encarregado de receber e processar a corrente elétrica de RF
que surge, por indução na antena receptora, quando esta é envolvida pelo campo eletromagnético da onda transmitida. A corrente elétrica captada pela antena, quase sempre de pequena
intensidade, chega ao receptor através da linha de recepção.
O sinal captado ao chegar ao receptor é processado e, na demodulação, as informações
são removidas e reproduzidas por um transdutor apropriado, como alto-falante, monitor de
vídeo, impressora ou outro.
A linha de recepção {LR) possui características semelhantes à linha de transmissão e
há quem a chame também de linha de transmissão (LT), embora não seja o nome mais coerente. Quando ligada ao transceptor, comum à transmissão e à recepção, prevalece a denominação "linha de transmissão".
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Princípios de Telecomunicações - Teoria e Prática
Figura 4.2a-
Nota: Inicialmente
Tempos depois,
ao positivo da
corrente resoectiva:Aplica-se a regra
mão esquerda para
Note que, em amlx:.s
•
_ :: antenas transmis-- =- ura 4.1.
4.4 Natureza da onda eletromagnética e o mecanismo
de propagação
Sabe-se que uma corrente contínua de intensidade I, ao fluir por um condutor elétrico, faz
surgir ao seu redor um campo magnético H, com intensidade proporcional à da corrente I e
polarizado de acordo com o sentido do fluxo da corrente elétrica.
As linhas de força do campo magnético envolvem o segmento condutor em toda a sua
extensão, formando um campo invisível, mas perfeitamente detectável. Esse campo possui
duas características:
- ~o-falante
:e radiofrequência
sai do transmis: 'da em energia
- rrançados ou pa:são é um guia de
•
A intensidade é constante (proporcional ao valor da corrente I);
•
A polaridade do campo magnético pode ser obtida, na prática, pelo sentido das
linhas, aplicando a "regra da mão direita". Assim, ao segurar o condutor com a mão
direita e com o dedo polegar apontado no sentido do fluxo convencional da corrente
elétrica, ou seja, do positivo para o negativo da bateria (oposto ao fluxo de elétrons),
os demais dedos da mão vão indicar o sentido das linhas do campo. A Figura 4.2a
mostra esse procedimento. Na Figura 4.2b, a regra é da mão esquerda com a corrente no sentido do fluxo de elétrons.
Corrente eletrônica
(do negativo ao positivo)
Linhas do campo
magnético
:;spectivamente.
Linhas do campo
magnético
t---:.r·o
elétrica de RF
po eletromagre de pequena
-- :e transmissão e
- : ome mais coe: ..valece a deno-
+
Figura 4.2a- Regra da mão direita.
Figura 4.2b- Reg ra da mão esquerda.
Nota: Inicialmente, o sentido da corrente elétrica foi tratado do polo positivo ao negativo da bateria.
Tempos depois, descobriu-se que a corrente elétrica é um fluxo de elétrons que flui do polo negativo
ao positivo da bateria. Hoje, os dois conceitos são usados: o sentido convencional e o sentido real da
corrente respectivamente.
Aplica-se a regra da mão direita quando se considera o sentido convencional da corrente, e a regra da
mão esquerda para o fluxo eletrônico.
Note que, em ambos os casos, o sentido do campo é o mesmo, como não poderia deixar de ser.
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As Ondas de Rádio
103
Ao enrolar espiras de fio isolado sobre uma forma ou suporte, tem-se um indutor ou
bobina. Ao passar um fluxo constante de elétrons (corrente contínua), de intensidade I, pelas
espiras da bobina, surge ao seu redor um campo magnético estático. O campo magnético,
semelhante ao de um ímã, tem polos norte e sul. Ao aproximar uma bússola desse campo
estático, há deflexão da agulha, comprovando a existência do campo e determinando a sua
polaridade.
Bússola
Corrente de
elétrons
Figura 4.3- Campo magnético ao redor de uma bobina.
Uma bobina dotada de núcleo de ferro gera o eletroímã de um relé (relay), componente
elétrico ainda em uso em alguns tipos de circuitos. O relé destina-se a fechar contatos
metálicos mostrados no modelo da Figura 4.4. Ao passar corrente contínua pela bobina, o fluxo
magnético se concentra no núcleo e imanta o ferro que atrai uma armadura metálica. Mecanicamente, a armadura une os contatos de metal inicialmente separados. Uma mola faz a
armadura retornar ao estado inicial quando a corrente contínua para de circular na bobina e os
contatos são desfeitos.
reaparece coiT' :õ
seus semicicl ......
em plano ort'-'!:1varia no tempo -
As vantagens do relé são o isolamento dos contatos do restante do circuito e a corrente
elétrica que pode passar por eles, em intensidade muitas vezes maior que a corrente contínua
aplicada à bobina para comandar o fechamento dos contatos.
O relé pode ser encontrado em radiotransceptores para fazer a comutação trans-rec
(transmissão-recepção). Veja o capítulo 5, Figura 5.2, chave S1.
Figura 4.4- Foto de um tipo de relé.
104
Principias de Telecomunicações- Teoria e Prática
i(t)
_..
--se um indutor ou
-- sidade I, pelas
po magnético,
_ -:a desse campo
inando a sua
Campos estáticos não são irradiantes, ou seja, não se propagam.
Se a corrente for alternada (variante no tempo, em intensidade e polaridade) e em particular senoidal, i (t) = lmáx sen 2n f t, conforme mostra a Figura 4.5, surge ao redor do condutor
um campo magnético H de intensidade variável e com alternância de polaridade, acompanhando as mesmas variações da corrente i (t).
i(t)
+O
1----+---t-
Semiciclos
positivos
+--+-1----+---;-,.-----. t(s)
Semiciclos
neg ativos
Figura 4.5- Gráfico da corrente alternada senoidal.
~ ay),
componente
~ •echar contatos
.=a bobina, o fluxo
etálica. Mecaa mola faz a
- na bobina e os
Na mesma frequência da corrente senoidal, o campo magnético H aparece, se extingue e
reaparece com a polaridade trocada, acompanhando as mesmas variações da corrente i (t) em
seus semiciclos positivos e negativos respectivamente. Em consequência dessas variações,
em plano ortogonal ao campo H, surge um campo elétrico E com as mesmas características:
varia no tempo, em intensidade e polaridade.
O campo E, de modo semelhante ao campo H, também pode ser representado por
linhas, conforme a Figura 4.6.
:- ~1ação trans-rec
i(t)
____...,
Figura 4.6- Formação da onda eletromagnética (campos E e H).
Das variações de E, também em intensidade e polaridade, cada linha representativa do
campo elétrico gera uma linha de campo magnético H em planos ortogonais. Daí, um campo
magnético gera outro campo elétrico e assim sucessivamente.
Agora sim, tem-se uma onda irradiante.
Observe o esquema da Figura 4.6. Intencionalmente se fez i(t) percorrer um condutor
colocado na posição vertical. Considere esse condutor a antena transmissora.
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As Ondas de Rádio
105
O primeiro anel representa H e em plano ortogonal surge E.
Os campos E e H vão, em alternância, se repetindo, formando algo semelhante aos elos
de uma extensa corrente que avança pelo espaço livre, é o fenômeno da propagação da onda
de rádio.
Espaço livre
sentido da propagação =>
_____.
_____.
i(t)
A
do transmissor
B
i'(t)
ao receptor
Figura 4.7- Campos He E irradiados por uma antena vertical.
As seguintes considerações se fazem necessárias:
1)
Apenas a corrente senoidal de RF, gerada pelo transmissor, circula no elemento condutor
da antena transmissora. O campo H existe em torno do condutor, gera E e juntos se propagam no espaço livre.
2)
Na recepção ocorre o inverso: o campo magnético H envolve a antena e faz surgir nela,
por indução, uma corrente elétrica, i' (t), mostrada na Figura 4.7, idêntica à i (t) na forma.
3)
Estando a antena na posição vertical em relação ao solo, o campo H estará na horizontal,
paralelo ao solo e, se a antena transmissora estiver na posição horizontal, o campo H
estará na vertical, perpendicular ao solo. Assim, E e H encontram-se em planos ortogonais.
No espaço tridimensional, a onda pode ser concebida conforme a Figura 4.8.
E
resultado da
em que
À
::::;>
vc
::::;>
:::::::>
T
::::;>
Embora o
Exemplo
E 4.1 Calcular
t'"'
!f'
\t
)i
!i'(,-r
r
~ Direção
A
de propagação
daonda
•
Solução :~
p
O valor c:
H
Figura 4.8- A onda eletromagnética no espaço tridimensional de comprimento de onda "A.
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Princípios de Telecomunicações- Teoria e Prática
:= Jhante aos elos
_ _ gação da onda
~
Para facilitar a compreensão, a representação dos campos H e E foi feita apenas com um
elo para cada um. Imagine agora uma quantidade infinita de elos em torno da antena,
formando um enorme volume de energia eletromagnética e deixando a antena, conforme
ilustrado na Figura 4.9.
H
Figura 4.9- Volume de energia formado ao redor de um irradiador vertical.
__.
B
i'(t)
ao receptor
4.5 Velocidade de propagação e comprimento de onda
A onda de rádio propaga-se no espaço livre com a velocidade da luz no vácuo, aproximadamente 3 · 10 8 m/s. O comprimento de onda À (lambda- 11ª letra do alfabeto grego) é o
resultado da relação entre a velocidade da luz no vácuo vc e a frequência f da onda. Assim:
À=~ [m]
f
=Eaz surgir nela,
..c.
a i (t) na forma.
_ - ,; na horizontal,
o campo H
=~ lanos ortogo-
em que À
=>
Vc =>
T
exp. 4.1
ao comprimento em m (metro);
3 · 108 m/s;
=>
frequência em Hz;
=>
período, em s, o tempo de duração de um ciclo da onda.
Embora o significado exato de À seja metro por ciclo, a unidade de medida é o metro.
Exemplo
E 4.1 Calcular o comprimento de onda na frequência f =150 MHz.
Solução: dividindo 3 · 108 m/s por 150 · 106 Hz, encontra-se À= 2 m.
O valor de À é importante por servir de referência para os cálculos de antenas,
atenuação da onda devido ao percurso, nas linhas de transmissão etc. Observe que
quanto maior a frequência menor será o comprimento de onda e por isso as pequenas
dimensões das antenas usadas em enlaces com frequências elevadas.
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