PROPAGAÇÃO

INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO - IAE

FACULDADES INTEGRADAS ESPÍRITA

CONVÊNIO 2002-2012 - PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD, PROFESSOR ONEIDE JOSÉ PEREIRA

• FIES - IAE - PLANEJAMENTO DE PESQUISAS

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#PY5AAL O conceito de onda em física, diz-se como uma ''perturbação oscilante de alguma grandeza física no espaço e periódica no tempo''. Assim temos uma oscilação espacial caracterizada por um ''comprimento de onda'' e uma ''periodicidade no tempo'', que é medida pela freqüência, e, esta é definida como o “inverso do seu período”. onio leithold. Uma onda é um pulso energético que se propaga através do espaço ou através de um meio (líquido, sólido, gasoso, vácuo).  A radiação eletromagnética se propaga através do vácuo, e as ondas existem, inclusive num meio cuja deformação é capaz de produzir forças de restauração, através das quais elas viajam, e podem transferir energia de um lugar para outro. Por exemplo, um imã oscilante, nenhuma massa transportada associada pode anular o efeito magnético, qualquer ponto particular oscila em volta de um ponto fixo.

#PY5AAL Uma onda pode voltar para a direção de onde veio, se atingir um anteparo material, ou um meio reflexivo, dá-se o nome a este fenômeno ''reflexão''. Pode ocorrer também a mudança de direção da propagação em meios de diferentes densidades, chamada ''refração''. Já, no espalhamento das ondas, por exemplo, quando atravessam uma fenda de tamanho equivalente a seu comprimento, ocorre um fenômeno chamado ''difração''. Ao ocorrer a adição das amplitudes de duas ondas superpostas, temos a interferência. Ocorrendo a separação de uma onda em outras de diferentes freqüências, temos a ''dispersão''. As ondas podem ser transversais, em que a vibração é perpendicular à direção de sua propagação, não podem ser polarizadas e podem oscilar em qualquer direção no plano perpendicular à direção de propagação. Já, nas longitudinais a vibração ocorre na mesma direção do movimento. As polarizadas, oscilam apenas numa direção perpendicular à linha de propagação, ora... ocorre então agora o termo “propagação”...afinal, o que é propagação de uma onda? O que é a melhora da propagação de uma onda? Ou quais são as condições de propagação? O que tem a ver a propagação de uma onda com a “propagação de rádio”? Não seria o termo mais adequado, condições de propagação?

Assim, o que é a tal de onda de rádio? E a propagação?

 #PY5AAL Uma onda de rádio se origina quando uma partícula carregada (por exemplo, um elétron) se excita numa frequência situada na zona de radiofrequência (RF) do espectro eletromagnético. Outros tipos de emissões fora da gama de RF são os raios gamma, os raios X, os raios cósmicos, os raios infravermelhos, os raios ultravioleta e a luz visível. Quando a  RF atua sobre um condutor elétrico (a antena), induz um movimento da carga elétrica (corrente elétrica) que pode ser transformada em portadora de informação. Define-se, desta forma, a propagação de radiofrequência ao conjunto de fenômenos físicos que conduzem as ondas de rádio com a mensagem do transmissor ao receptor. A propagação não é devida a um único fenômeno físico isolado, pois, vários modos são possíveis, ou seja, o ionosférico, o troposférico, as ondas de solo, etc.  No nosso caso, quanto radioamadores, sempre nos referimos à propagação abrindo ou fechando, ora, a utilização do termo, é claro, subentende-se sobre as condições de tal, e não o fenômeno propriamente dito. Portanto, quando diz-se coloquialmente propagação de rádio, que seja entendido o termo no sentido "radioamadorístico", e não científico, para ficar mais palatável ao leigo. Assim, retornando às ondas, em primeiro lugar, pode-se conceituar a onda de radiofreqüência (RF), como uma forma de radiação eletromagnética que possui algumas propriedades que permitem sua “propagação” num meio, seja material, seja vácuo. Para efeito de estudo, e segundo características físicas sobre as propriedades de propagação, o espectro de RF foi dividido em regiões: 

#PY5AAL ELF - Extremely Low Frequency  - Freqüências Extra Baixas-      3,0 Hz  - 30 Hz

#PY5AAL SLF - Super Low Frequency - Freqüências Super Baixas-           30 Hz  - 300 Hz

#PY5AAL ULF-Ultra Low Frequency-Freqüências Ultra Baixas-                  300Hz - 3,0kHz

#PY5AAL VLF-Very Low Frequency-Freqüências Muito Baixas-                  3,0kHz-30kHz

#PY5AAL LF-Low Frequency-Freqüências Baixas-                                      30kHz-300kHz   

#PY5AAL MF-Medium Frequency - Freqüências Médias-                     300 kHz  - 3,0 MHz

#PY5AAL HF-High Frequency - Freqüências Altas-                               3,0 MHz  - 30  MHz

#PY5AAL VHF - Very High Frequency - Freqüências Muito Altas-        30  MHz  - 300 MHz

#PY5AAL UHF - Ultra High Frequency - Freqüências Ultra Altas-        300 MHz  - 3,0   GHz

#PY5AAL SHF - Super High Frequency - Freqüências Super Altas-        3,0 GHz  - 30   GHz

 #PY5AAL EHF - Extremely High Frequency -Freqüências Extra Altas-     30 GHz - 300 GHz

#PY5AAL O fenômeno da radiopropagação na Terra, é afetado por mudanças de ionização na atmosfera superior, devido principalmente ao Sol. Este propicia condições variáveis da ionização da alta atmosfera, ou ionosfera, além de influir na quantidade de elétrons livres no meio como um todo. O "trajeto" da RF é uma consequência direta de fatores como a quantidade e intensidade das "chamas solares", tempestades geomagnéticas, alterações das camadas ionosféricas, e eventos de ejeção de massa coronal. As ondas de rádio com diferentes freqüências se propagam de maneiras diversas. A interação da RF com as regiões ionosféricas torna mais complexa a previsão e análise do fenômeno que tem uma forte ligação com o clima espacial. As perturbações súbitas que são causadas pelo Sol geram alterações significativas principalmente quando os raios-X associados a uma labareda solar ionizam a camada D. Assim ocorre um aumento da absorção de sinais de RF em praticamente todos os comprimentos de onda no hemisfério iluminado, à este fenômeno, os radioamadores associam o "fechamento" de propagação. Contudo, nem sempre ocorre o fechamento, mas em alguns casos a alteração da altitude e densidade das camadas mais acima (E e F... não é necessário citar F1, F2... E Esporádica...) ocasionam a alteração da altitude ou condições da refração da RF propagada no meio, isto é, acontece a "abertura" de propagação para direções diferentes, ou, não se devem confundir os fenômenos do "fechamento" por absorção com o de alteração do ângulo de reflexão por variações da ionização em diferentes camadas. #PY5AAL 

#PY5AAL Acima, podem ser observados sinais de rádio divididos em duas componentes (normal - vermelho e anômalo - verde), ao propagar pela ionosfera.Os sinais foram transmitidos em diferentes ângulos de elevação, transmissor à esquerda. O receptor está indicado por um triângulo na base a 16.000 km de distância. A reflexão, refração e inclinação do sinal de RF é mostrada inclusive pelo aparecimento da dutificação intercamadas iônicas. Fonte: ESA.

#PY5AAL Inversão térmica e dutificação da RF

#PY5AAL A inversão térmica, em geral, ocorre a uma altitude em torno de 1 km sobre a superfície, (na troposfera), o gradiente vertical térmico do ar decresce com a altura , a temperatura diminui com a altura a uma razão de 6,5 ºC/km. Atua como uma espécie de calota isolante, ou "tampa" que reduz os movimentos ascendentes do ar. Desta forma, não ocorre sua elevação, e por conseqüência acontece o confinamento do ar frio mais abaixo. A época de maior ocorrência é no inverno, em situações anticiclônicas fortes, estas impedem a ascensão dos gases atmosféricos e concentram a pouca umidade nas regiões mais baixas, dando lugar a nuvens estáticas, persistentes e frias. Nas altas camadas, na ionosfera, também ocorrem fenômenos semelhantes à inversão térmica, estes são ocasionados por dois fatores principais, a diferença de temperatura e a diferença de densidade iônica, assim, as camadas D, E, E esporádica, F1 e F2, apresentam também constituintes semelhantes à inversão térmica na superfície, os fenômenos são relatados abaixo, devida semelhança tanto pra altas freqüências quanto para baixas freqüências. Não cabe aqui conforme já mencionado, o formalismo matemático, para maiores informações, leia e estude as referências bibliográficas abaixo, no final do artigo.

#PY5AAL Na propagação das ondas de rádio, um dos efeitos facilmente detectáveis são os causados pela inversão térmica, que é o fenômeno da "dutificação", também chamado “duto”. Ocorre em frequências muito altas (VHF, UHF, etc), mas também existem leituras de sua ocorrência em HF, embora mais rara, principalmente à noite, quando se faz a recepção de estações à longa distância.

#PY5AAL O duto, ocorre paralelamente à superfície terrestre, quando a propagação das ondas de rádio (Fenômeno facilmente observado em VHF, UHF no inverno) em seu interior chega à dezenas de quilômetros, em alguns casos, não muito raros, às centenas, e em HF a milhares. Nestes casos, nota-se a alteração do curso do feixe de ondas, isto é, este se propaga num "canal", daí a nomenclatura “duto”. A característica principal é a ocorrência de particionamento dos raios, de forma que parte destes são dirigidas entre as calotas, e outra parte se propaga normalmente. Assim, observa-se dois raios de um feixe, um devido ao seu ângulo de emissão, acaba atingindo o limite superior do duto, e se bi-parte, de maneira que ocorre numa região particular de irradiação abaixo do raio desviado e o duto, a esta região se dá o nome de "região de atenuação". A atenuação pode ser suficientemente importante de forma a eliminar a recepção. Mas, uma vez que podem ocorrer ângulos diferentes de emissão, outra componente se propaga em ângulo diferente da primeira, assim acontece que, devido ao ângulo inicial (Lei de Snell), o raio passa através da primeira calota do duto refratando, e sofrendo um desvio até tocar a segunda calota do duto, não se pode esquecer que o duto possui duas ou mais camadas de densidades diferentes (Ou duas, ou mais calotas), a superior e a inferior. Desta maneira ocorrerão múltiplas reflexões no sentido e direção da propagação do feixe de ondas no seu interior, também este feixe se bipartirá, ocorrendo assim dois feixes de RF se propagando internamente. Poderá ocorrer também o reforço e atenuação do sinal à medida que avança, isto é, ocorre a convergência e a divergência das ondas, que por sua vez criam interferências ora construtivas, ora destrutivas, ou, o sinal propagado no interior do duto ora é reforçado, ora é atenuado. Esta atenuação e reforço em todo o espectro, se chama "desvanescimento plano".

#PY5AAL Também pode acontecer o aparecimento de mais de dois raios, estes se interferem entre si, assim, ocorre a alteração das características de amplitude e fase na recepção, ou seja, a este fenômeno se dá o nome de "multitrajetórias" ou "multivias". Este é o fenômeno responsável pelo aparecimento de interferências no receptor, ou seja, o "desvanescimento seletivo", e também ocorre outro tipo pela mesma razão, é a degradação do sinal na alimentação da antena, o "desvanescimento plano". Quando uma onda se propaga sobre o mar ou sobre uma superfície plana, uma planície, por exemplo, ocorre muito freqüentemente, devida a inversão térmica, mesmo em HF a propagação intercamadas, o fenômeno da reflexão entre dois ou mais raios de um feixe que se propaga a partir da antena emissora. Este fenômeno é o das "multivias", e por consequencia ocorrerá a interferência na recepção dos raios que percorrem caminhos cujas trajetórias ou comprimentos sejam diferentes, da mesma forma que ocorre na dutificação. Assim, percebe-se que tanto na teoria quanto na prática, que tanto na dutificação quanto na reflexão acontecem os fenômenos de interferências do sinal. O receptor “percebe” a interferência entre raios que prosseguem por caminhos diferentes, acontecendo o atraso relativo entre si por diferenças de fase, além de outras interferentes, que por sua vez causam distorções nos sinais digitais (senx/x) antes de sua regeneração. A interferência causa o desvanescimento rápido, de curta duração, no tempo e seletivo no espectro.

#PY5AAL Por Ângelo Antônio Leithold#PY5AAL 

#PY5AAL Bibliografia e leitura recomendada:

#PY5AAL Ondas Eletromagnéticas e antenas

#PY5AAL Propagação em Dupla refração

#PY5AAL Estruturas Multicamadas

#PY5AAL "Microstrip Patch Antenna", (Theory and simulation of microstrip patch antenna)

#PY5AAL "Online Calculations and Conversions " Formulas for simulating and optimizing Antenna specs and placement

#PY5AAL "Microwave Antenna Design Calculator" Provides quick estimation of antenna size required for a given gain and frequency. 3 dB and 10 dB beamwidths are also derived; the calculator additionally gives the far-field range required for a given antenna.

#PY5AAL Sophocles J. Orfanidis, "Electromagnetic Waves and Antennas", Rutgers University (20 PDF Chaps. Basic theory, definitions and reference)

#PY5AAL Hans Lohninger, "Learning by Simulations: Physics: Coupled Radiators". vias.org, 2005. (ed. Interactive simulation of two coupled antennas)

#PY5AAL Justin Smith "Aerials". A.T.V (Aerials and Television), 2009. (ed. Article on the (basic) theory and use of TV aerials)

Antennas Research Group, "Virtual (Reality) Antennas". Democritus University of Thrace, 2005.

#PY5AAL "Support > Knowledgebase > RF Basics > Antennas / Cables > dBi vs. dBd detail". MaxStream, Inc., 2005. (ed. How to measure antenna gain)

#PY5AAL Raines, J. K., "Virtual Outer Conductor for Linear Antennas," Microwave Journal, Vol. 52, No. 1, January, 2009, pp. 76-86

#PY5AAL Electronic Radio and Engineering. F.R. Terman. MacGraw-Hill

#PY5AAL Lectures on physics. Feynman, Leighton and Sands. Addison-Wesley Classical Electricity and Magnetism. W. Panofsky and M. Phillips. Addison-Wesley  

#PY5AAL Autor: Ângelo Antônio Leithold PY5AAL (c) 2009

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