Propagação de Ondas RF

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA
CAMPUS SÃO JOSÉ – SANTA CATARINA
ANT – Antenas e Propagação
Prof. Ramon Mayor Martins, MEng.
[email protected] / [email protected]
PARTE 4.0: Propagação de Ondas de RF (Características)
Disponível em: http://goo.gl/kzvSbd
4. – Propagação de Ondas de RF
4.1 - Introdução
4.2 – Características de Propagação
Reflexão
Refração
Difração
Absorção
Dispersão
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4 – Propagação de Ondas de RF
4.1 - Introdução
O seu deslocamento é conhecido como propagação
e garante a transferência de energia eletromagnética
de um ponto para outro através do meio.
Antena
Essa onda pode ter direções preferenciais de
deslocamento, dependendo das características de
sua fonte das propriedades do meio.
Disposição
Corrente e
Tensão
Na Antena
Sucessão de campos elétrico e magnético que se
induzem mutuamente e afastam-se da origem,
constituindo a onda eletromagnética
Indução no espaço
No espaço, o campo magnético criado pela antena
induz um campo elétrico no espaço.
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4.2 – Características de propagação:
São características da propagação de ondas eletromagnéticas
•Reflexão
•Refração
•Difração
•Absorção
•Dispersão
Verifique: https://www.youtube.com/watch?v=r3hSJFFAMwA
Faça o download do app: Wifi Solver (Android)
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4.2 – Características de propagação:
Quando uma onda encontra a superfície limítrofe entre dois meios de densidades diferentes, uma parte da
energia é refletida, outra parte da energia é absorvida pela superfície refletora e uma terceira porção pode
penetrar, refratar-se e se propagar no segundo meio.
As quantidades de energia envolvidas nesses três processos irão depender, basicamente, da natureza da
superfície, das propriedades do material e da freqüência da onda.
No caso das ondas EM, a orientação da polarização do campo elétrico em relação à superfície também exercerá
influência
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4.2 – Características de propagação: Reflexão
-A reflexão das ondas de rádio segue os princípios da
reflexão de onda de luz
-As ondas de rádio são refletidas por qualquer
superfície condutora (ex: metálicos – principalmente
se o objeto metálico for pelo menos metade do
comprimento de onda na frequência de operação.)
-A reflexão tb é produzida por outras superfície como a
terra e a superfície da agua.
-O ângulo de reflexão é igual o ângulo de incidência
-O ângulo de incidência é o ângulo entre a linha que
chega e a linha perpendicular a superfície refletora.
-O ângulo de reflexão é o ângulo entre a onda refletida
e a linha perpendicular.
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4.2 – Características de propagação: Reflexão
-O sentido do campo elétrico que se aproxima da
superfície de reflexão é invertido ao deixar a
superfície.
-O processo de reflexão inverte a polaridade de uma
onda – equivale a um máximo de mudança de fase de
180º
-Como não existem condutores perfeitos, a reflexão
nunca é completa.
-Mas se a superfície condutora for um bom condutor
(cobre e alumínio) e for grande o suficiente, a maior
parte da onda é refletida.
-Condutores menos eficientes absorvem um pouco da
energia das ondas
-Em alguns casos, a onda penetra na superfície
refletora
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4.2 – Características de propagação: Reflexão
-A superfície terrestre reflete ondas de todas as
frequências. As baixas frequências possuem grande
penetração e as ondas são muito menos refletidas.
Em freqüências muito baixas, sinais de rádio podem
ser recebidos a até alguns metros abaixo da superfície
do mar.
Árvores, edifícios, montanhas e outros objetos podem
causar reflexões de ondas de rádio.
Para as freqüências baixas, e mesmo médias, essas
reflexões podem ser desprezadas.
Já nas altas freqüências, elas se tornam importantes,
sendo o fenômeno, por vezes, aproveitado como base
de sistemas eletrônicos, como o radar.
Quando o fenômeno é indesejável, como nas
comunicações, costuma-se usar antenas direcionais,
que, pelo menos, minimizam os efeitos da reflexão
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4.2 – Características de propagação: Reflexão
-Nas freqüências mais altas, ocorrem reflexões pela chuva e por nuvens densas.
Também, a onda de rádio de frequência muito alta (VHF), ou superior, pode ser refletida pelos limites bem
definidos (frentes) entre massas de ar frias e quentes, quando o ar quente e úmido flui sobre o ar frio mais
seco.
Se a superfície entre as massas de ar é paralela à superfície da Terra, as ondas de rádio podem percorrer
distâncias muito maiores que as normais.
Sempre que uma onda é refletida pela superfície terrestre, dá-se uma mudança de fase, que varia com a
condutividade do terreno e a polarização da onda, alcançando um máximo de 180º para uma onda polarizada
horizontalmente.
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4.2 – Características de propagação: Reflexão
Quando uma onda direta e uma onda refletida chegam
ao mesmo tempo a um receptor, o sinal total é a soma
vetorial das duas ondas.
Se os sinais estão em fase, uma onda reforça a outra,
produzindo um sinal mais forte.
Se há diferença de fase, os sinais tendem a cancelarse mutuamente, sendo o cancelamento completo
quando a diferença de fase é de 180º e os dois sinais
têm a mesma amplitude
Essa interação tem o nome de interferência de ondas.
A diminuição de sinal no receptor devido a essa
interação de ondas terrestres e refletidas é
denominada “fading” (desvanecimento).
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4.2 – Características de propagação: Reflexão

Angulo de Brewster:
Ângulo de Brewster (também conhecido como ângulo
de polarização) é um ângulo de incidência para o qual
a reflexão anula completamente a componente
paralela da onda em relação ao plano de incidência.
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4.2 – Características de propagação: Reflexão
Sob certas condições, uma porção da energia eletromagnética de uma onda de rádio poderá ser refletida de volta
à superfície terrestre pela ionosfera (Camada da atmosfera).
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4.2 – Características de propagação: Refração
-Refração é o desvio de uma onda devido a
constituição física do meio através do qual a onda
passa.
-A velocidade da luz é de aproximadamente 300 km/s
,no espaço livre (vácuo ou ar).
-Sempre que uma frente de onda se propaga por um
meio onde ocorre uma variação de densidade, haverá
um encurvamento do feixe.
-Quando a luz passa através de outro meio, como
água ou vidro, ela fica mais lenta.
-A variação da velocidade da luz ao entrar ou sair de
outro meio faz as ondas de luz desviarem a trajetória.
-As ondas de radio são análogas a luz.
-Conforme a onda de radio se desloca através do
espaço livre, encontra o ar de diferentes densidades,
que depende do grau de ionização (causada por um
ganho ou perda geral de elétrons).
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4.2 – Características de propagação: Refração

Indice de refração:
O grau de desvio depende do índice de refração de um meio n (obtido dividindo a velocidade da luz (ou da onda
de rádio) no vácuo pela velocidade da luz (ou onda de rádio) no meio que faz a onda sofrer um desvio.
-Como a velocidade de uma onda no vácuo é quase a mesma de uma onda no ar, o índice de refração para o
ar é muito próximo de 1.
O índice de refração para qualquer outro meio de comunicação será maior do que 1, cujo valor depende do
quanto a velocidade da onda é reduzida.
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4.2 – Características de propagação: Refração

Indice de refração:
O grau de desvio depende do índice de refração de um meio n (obtido dividindo a velocidade da luz (ou da onda
de rádio) no vácuo pela velocidade da luz (ou onda de rádio) no meio que faz a onda sofrer um desvio.
-Como a velocidade de uma onda no vácuo é quase a mesma de uma onda no ar, o índice de refração para o
ar é muito próximo de 1.
O índice de refração para qualquer outro meio de comunicação será maior do que 1, cujo valor depende do
quanto a velocidade da onda é reduzida.
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4.2 – Características de propagação: Refração

Lei de Snell:
-A onda incidente a partir de um transmissor se
desloca através do ar, onde encontra uma região de ar
ionizado que faz a velocidade de propagação diminuir.
-A onda incidente tem um ângulo Ɵ1 em relação a lin
ha perpendicular a fronteira entre o ar e o ar ionizado.
-A onda desviada (refratada) passa para o ar ionizado,
e terá uma direção diferente com um ângulo Ɵ2 com
relação a perpendicular.
-Uma parcela é refratada para a região ionizada e
outra parcela é refletida.
-A ionização faz o ar ser um condutor parcial.
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4.2 – Características de propagação: Refração

Lei de Snell:
-para cada meio e para o raio de incidência ou refratado, é constante o produto do seno do ângulo de
incidência ou do ângulo de refração e o índice de refração do meio em que este raio se encontra
Experimento: http://interactagram.com/physics/optics/refraction/
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4.2 – Características de propagação: Refração
As ondas eletromagnéticas são refratadas na
atmosfera devido a pequenas diferenças de
velocidade de propagação, em conseqüência da
existência de gradientes de densidade.
Na refração ionosférica, as diversas camadas da
ionosfera desviam pouco a pouco a trajetória das
ondas eletromagnéticas, que retornam à superfície
terrestre
Nas aplicações práticas de radiocomunicação a
incidência das ondas não é vertical, mas sim em
ângulo.
Neste caso a onda partindo de A, sofre refração
continuada ao penetrar na camada ionizada e
finalmente seu ângulo é tal que em C ocorre reflexão
total, daí ela sofre refração inversa e atinge o ponto B
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4.2 – Características de propagação: Refração
Vários e possíveis trajetos de deslocamento das ondas de rádio entre o transmissor e o receptor,
devido a refração ionosférica
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4.2 – Características de propagação: Refração
Vários possíveis trajetos de deslocamento das ondas de rádio entre o transmissor e o receptor, devido a refração
ionosférica
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4.2 – Características de propagação: Refração
Os dutos, são regiões onde a energia é aprisionada, confinada e concentrada por efeito de refrações sucessivas, de
modo a atingir regiões bem além do horizonte normal
Sob condições atmosféricas bastante especiais e pouco freqüentes, poderá ocorrer o fenômeno conhecido como
“duto de superfície” , fazendo com que a onda terrestre atinja distâncias muito além de seus limites normais de
recepção.
O “duto de superfície” é formado entre a superfície da Terra e a parte inferior de uma camada de ar dentro da qual
existe uma forte inversão de temperatura.
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4.2 – Características de propagação: Absorção
A propagação de ondas através de qualquer meio diferente do vácuo é sempre acompanhada de perdas causadas
pela absorção de potência pelas partículas do meio.
Assim, apenas as ondas eletromagnéticas ao se propagarem no vácuo não são atenuadas pela absorção.
As ondas eletromagnéticas, ao se propagarem na atmosfera, são afetadas pela absorção.
O vapor-d’água e as moléculas de oxigênio existentes na atmosfera são os principais responsáveis pela absorção
de energia.
Os efeitos da absorção crescem com o aumento da freqüência
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4.2 – Características de propagação: Absorção
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4.2 – Características de propagação: Absorção
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4.2 – Características de propagação: Absorção
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4.2 – Características de propagação: Absorção
Em freqüências das faixas SHF e EHF a absorção
atmosférica torna-se um problema, além do que
existe a difração devido à presença de gotas de
água de chuva, moléculas de oxigênio e vapord’água (obstáculos de dimensões praticamente
iguais aos comprimentos de onda)
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4.2 – Características de propagação: Absorção
As ondas terrestres, além de perderem energia para o
ar, também perdem para o terreno (figura 34.12). A onda
é refratada para baixo e parte de sua energia é
absorvida
Como resultado dessa primeira absorção, o bordo
anterior da onda é curvado para baixo, resultando numa
nova absorção, e assim por diante, com a onda
perdendo energia gradualmente.
A absorção é maior sobre uma superfície que não seja
boa condutora.
Relativamente pouca absorção ocorre quando a onda se
propaga sobre a superfície do mar, que é uma excelente
condutora.
Assim, as ondas terrestres de freqüência muito baixa
percorrem grandes distâncias sobre os oceanos.
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4.2 – Características de propagação: Absorção
Ondas refletidas que sofrem mais de uma reflexão
perdem energia por absorção quando de sua reflexão
intermediária na Terra.
Além disso, as ondas refletidas sofrem absorção quando
de sua reflexão na ionosfera, cujo grau depende da
densidade de ionização, da freqüência da onda
eletromagnética e da altura.
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4.2 – Características de propagação: Difração
A difração é um fenômeno que ocorre com ondas
acústicas e com ondas eletromagnéticas, bem como,
também, com partículas que se comportam como ondas.
Difração é a mudança da direção da onda quando a
mesma passa junto a um obstáculo.
É a dispersão da onda em torno de um obstáculo.
Um transmissor emitindo ondas eletromagnéticas, que
encontram em sua propagação um objeto opaco.
Por trás do obstáculo se formará uma zona de
interferência (onde as ondas se sobrepõem, podendo
tanto se reforçarem como se cancelarem), enquanto que
a parte desobstruída do bordo anterior da onda
prossegue em sua direção original.
Experimento: http://www.acoustics.salford.ac.uk/feschools/waves/diffract3.php
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4.2 – Características de propagação: Difração
Seu efeito prático é uma diminuição na potência do sinal
na área de sombra, e um padrão perturbado numa curta
distância fora dessa área sombreada.
A difração tem valor máximo quando o comprimento do
obstáculo é igual ao comprimento da onda.
A quantidade de difração é inversamente proporcional à
freqüência, sendo maior nas freqüências muito baixas.
Na zona de sombra o sinal de rádio somente será
recebido de forma fraca
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4.2 – Características de propagação: Difração
A difração, portanto, é uma outra forma de encurvamento
do feixe, que ocorre quando a onda passa pela borda de
um objeto opaco (insensível à onda de rádio), a qual
causa uma deflexão da onda na direção do objeto.
Como o grau de difração é maior nas freqüências mais
baixas, a difração é, então, mais significativa para as
ondas de rádio, em comparação com as ondas de radar.
Assim, por exemplo, ondas de rádio viajando sobre a
superfície da Terra sofrem uma difração sobre a sua
curvatura, o que, somado à refração, faz com que elas
se propaguem além do horizonte geográfico.
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4.2 – Características de propagação: Difração
Gume de Faca
Fenômeno ocorre qdo a onda é limitada em
seu avanço, por um obstaculo que deixa
passar somente parcela das frentes de onda
-Se algum obstáculo interrompe parte da
frente de onda, os radiadores comporão uma
nova onda com características de frentes diferente
da onda original
Este modelo para cálculo é utilizado para
obstáculos com um formato que se assemelha
a uma faca. (objetos íngremes não arredondados)
-Esse modelo produz a perda mais baixa do que
qualquer modelo
-o gume de faca é o caso extremo (baixo) em
termos de perda por difração
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4.2 – Características de propagação: Dispersão
Como a forma de onda preserva-se ao longo de todo o percurso, esses meios costumam ser denominados de meios
não-dispersivos.
Na prática, não existem materiais que satisfaçam exatamente estas condições.
Logo, a ausência de dispersão é apenas uma possibilidade teórica ou uma aproximação para os meios reais
O caso comum é ocorrerem alterações no formato da onda a medida que se propaga no meio.
O fenômeno é conhecido como dispersão, é uma característica indesejável
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