Princípios de rádiotransmissão - Ondas
- Existem conhecimentos básicos sobre a natureza e comportamento das ondas de rádio que precisam estar muito bem estabelecidos na mente do profissional de telecomunicações. Nessa categoria enquadramos os conhecimentos sobre a natureza e propriedades das ondas. Se bem que este assunto deva fazer parte dos cursos profissionais (técnicos e de engenharia) nem sempre eles são abordados com a devida profundidade e sempre existe a necessidade de serem reciclados. Nesse artigo revisamos alguns dos conceitos básicos da rádiotransmissão o que pode ser de muita utilidade para nossos leitores.
Na figura 1 mostramos o espectro de rádio com a classificação pela denominação segundo a freqüência.
O comportamento das emissões em cada faixa varia sensivelmente em relação às outras e isso determina sua utilização prática.Essa variação do comportamento nos leva à diversas denominações que analisamos a seguir:
a) Onda terrestre
As frentes de onda se propagam junto ao solo, acompanhando a curvatura da terra, conforme mostra a figura 2.
Como estas frentes de onda estão junto ao solo elas provocam a indução de certa corrente já que o solo é condutor. Esta corrente causa uma absorção do sinal que então se atenua à medida que se propaga.
Num solo condutor ou sobre a água a atenuação é menor do que no caso de solos rochosos, arenosos ou pedregosos de baixa condutividade (secos). Quanto mais alta for a freqüência do sinal, maior será a atenuação que ocorre neste tipo de propagação.
Por esse motivo, as ondas terrestres são mais usadas em comunicações de curto alcance na faixa de 300 kHz a 3 MHz. Como exemplo podemos citar as ondas da faixa de HF (ondas médias) que, pela sua baixa freqüência, sofrem uma atenuação considerável devido também à presença de obstáculos. Esta faixa de ondas e este tipo de propagação não são afetados pelas horas do dia ou pelas estações do ano.
b) Onda espacial
A propagação entre a antena transmissora e a antena receptora ocorre sem a influência da terra. Um exemplo seria a comunicação entre uma estação em terra e um avião. As faixas mais usadas para este tipo de comunicação são as de VHF e UHF, eventualmente SHF.
c) Onda celeste ou ionosférica
A onda celeste sofre reflexões na ionosfera e na troposfera. A uma altura que varia entre 80 km e 400 km a atmosfera está ionizada, ou seja, os átomos possuem cargas elétricas. Em conseqüência a trajetória dos sinais de rádio de certas faixas de freqüências, pode ser modificada fazendo que se curvem de volta para a terra, conforme mostra a figura 3.
Essas ondas têm seu comportamento influenciado pelas horas do dia, estações do ano e atividade solar. As ondas celestes estão na faixa de 5 MHz a 30 MHz, mas este valor pode se variar em função de diversos fatores como a atividade solar. Se um transmissor emitir um sinal que tenha componentes terrestres e ionosféricas, as duas componentes cobrem regiões diferentes, conforme mostra a figura 4.
Entre as duas regiões cobertas pelos sinais existe uma zona de silêncio em que eles não podem ser recebidos.
d) Ondas diretas
A propagação entre dois pontos ocorre de forma que eles devem estar numa linha direta, sem obstáculos, conforme mostra a figura 5.
Os sinais acima de 30 MHz, principalmente nas faixas de VHF, UHF e SHF são os mais usados nesta modalidade de transmissão apresentando um comportamento que se aproxima mais ao comportamento da luz em sua propagação. À medida que a freqüência aumenta, estas ondas são mais sensíveis à presença de objetos sólidos, tais como prédios, morros, estruturas metálicas, etc., não passando através deles.
Freqüências Classificação Modo de Propagação mais comum Alcance típico Utilização prática
10 kHz a 500 kHz Quilométrica - VLF e LF Rente à superfície da terra acompanhando a sua curvatura Algumas centenas de quilômetros Radiofarol e comunicação marítima
500 kHz a 3 MHz Hectométricas MF rente ao solo e à noite com reflexão na ionosfera tipicamente até 500 km Radiodifusão, radiofarol
3 MHz a 30 MHz Decamétricas - HF Reflexão na ionosfera, principalmente à noite milhares de quilômetros Radiodifusão, radioamadores, comunicações à longa distância
30 MHz a 300 MHz Métricas - VHF Linha direta ou cabos (*) Até 200 km (típico) TV, FM e comunicações
300 MHz a 3 GHz Decimétricas - UHF Linha direta e por cabos (*) Até 200 km (típico) TV e comunicações
3 GHz a 30 GHz Centimétricas - SHF Direta, guia de ondas e satélites 200 km em terra e ilimitada por satélite Comunicações, radar
30 GHz a 300 GHz Milimétricas Direta e guias de onda pouco uso ainda comunicações
300 GHz em diante Micrométricas Guias de onda e fibras ópticas uso em expansão comunicações
(*) Se considerarmos os fenômenos do espalhamento ou difração, estas ondas podem chegar a distâncias maiores.
Alcance
Para uma onda direta, o alcance vai depender da altura das antenas, conforme podemos observar pela figura 6.
Assim, uma antena de altura h, desprezando-se elevações adicionais como ondulações do terreno, terá o alcance dado pela fórmula:
Veja que, neste caso, temos a soma dos catetos de dois triângulos retângulos, e da mesma forma que no transmissor, podemos simplificar a fórmula já que a altura da antena é desprezível em relação ao raio da terra.
Velocidade, fase comprimento de onda e freqüência
As ondas eletromagnéticas se propagam através do vácuo com uma velocidade finita em torno de 300 000 quilômetros por segundo. Esta velocidade também depende do meio de propagação, sendo menor nos meios mais densos. Assim, entre o instante em que um sinal é produzido por um transmissor e ele chega ao receptor existe um intervalo de tempo finito. O tempo de propagação entre dois pontos para uma onda eletromagnética pode ser calculado pela seguinte fórmula:
t = S/v
Onde:
t é o intervalo de tempo (em segundos)
S é a distância percorrida (em metros)
v é a velocidade de propagação (em metros por segundo)
A propagação da onda em velocidade finita permite que associemos a ela uma grandeza denominada "comprimento de onda". O comprimento de onda é a distância que ela percorre no intervalo de tempo que corresponde a um ciclo completo, conforme mostra a figura 7.
Veja que é possível medir o comprimento de onda entre dois pontos análogos de ciclos sucessivos da mesma onda. Está claro que podemos relacionar este comprimento de onda com sua freqüência e a sua velocidade através da fórmula:
v = Y x f
Onde:
V é a velocidade de propagação em metros por segundo
Y é o comprimento de onda em metros
f é a freqüência em hertz
A representação senoidal de uma onda nos permite associar aos diversos pontos do sinal ângulos de fase. Dessa forma, um ciclo completo de uma onda tem 360 graus, conforme mostra a figura 8.
Esse fato permite comparar dois sinais ou duas ondas no tempo pelos pontos em que elas possuem a mesma intensidade, ou seja, pontos de máximo, mínimos ou de um determinando ângulo de fase. Sinais de mesma freqüência estarão em fase quando os instantes em que eles possuírem os máximos e mínimos coincidirem, conforme mostra a figura 9.
Sinais estarão defasados quando seus pontos de máximos e mínimos não coincidirem. A figura 10 mostra que podemos medir a separação destes pontos em graus e assim expressar a sua defasagem na forma de um ângulo.
Antenas
A função da antena é produzir ondas eletromagnéticas a partir de correntes elétricas de alta freqüência que lhes são aplicadas. Uma antena transfere então a energia gerada pelo transmissor para o espaço na forma de ondas. No receptor, a antena intercepta as ondas induzindo correntes que são levadas então ao circuito.
Um sinal de alta freqüência aplicado numa antena, como a formada por dois condutores cria alternadamente campos elétricos e magnéticos, conforme mostra a figura 11.
Conforme podemos ver pela figura 12, corrente e tensão numa antena deste tipo se distribuem de modo diferentes.
Nas extremidades a tensão é máxima e a corrente é mínima enquanto que no centro, a tensão é mínima e a corrente é máxima. Esta configuração equivale a de um circuito ressonante ideal com a configuração mostrada na figura 13.
Nele, a reatância capacitiva é igual à reatância indutiva (XL =XC) de modo a termos uma componente resistiva pura que é a impedância da antena. Para uma antena deste tipo esta impedância tem um valor fixo de 73 ohms. Na prática, adotamos como valor mais apropriado para os cálculos 75 ohms. Influem nesta impedância fatores como a espessura do fio usado, e a própria velocidade de propagação da onda no material de que é feita a antena.
a) Ganho
Uma antena é um elemento passivo num sistema de transmissão ou de recepção, não existindo elementos que possam realmente introduzir um ganho efetivo num sinal de uma antena. Dessa forma, o termo ganho serve para expressar a capacidade que uma antena tem para receber sinais de uma determinada direção quando comparada com uma antena usada como referência. Uma antena que tenha a capacidade de concentrar a energia transmitida numa certa direção possui um ganho, conforme mostra a figura 14.
Igualmente, uma antena que consegue captar de uma forma mais efetiva os sinais que chegam de uma determinada direção, possui um ganho nesta direção. O ganho é calculado pela seguinte fórmula:
Ga (dB) = 10 log (P1/P2)
Onde:
Ga = ganho em dB (decibel)
Log = logaritmo
P1 = potência da antena em mW
P2 = potência da antena padrão em mW
Assim, se uma antena irradia 200 W numa direção quando a antena padrão irradia 10 W, o ganho será:
Ga = 10 log 200/10 = 17 dB
Para medir o ganho na recepção compara-se a intensidade do sinal recebido pela antena com a intensidade do sinal recebido no mesmo local com uma antena padrão.
b) Diretividade
Uma antena ideal, teria o formato de uma esfera, irradiando sinais com a mesma intensidade em todas as direções. Na prática, entretanto, as antenas tendem a concentrar os sinais mais em determinada direção, dependendo de sua forma, dimensões e disposição de seus elementos.
Assim, a diretividade de uma antena é indicada por um diagrama, conforme mostra a figura 15, no qual se colocam as intensidades relativas do sinal (recebido ou transmitido) em função das direções em torno da antena.
Conforme podemos ver uma antena possui um lóbulo maior que corresponde aos sinais irradiados na direção para a qual ela está apontada e outros lóbulos menores que indicam que naquelas direções existem irradiações de menor intensidade. Também existem direções em que nenhum sinal é irradiado (ou recebido). Quanto mais estreito for o lóbulo, mais diretiva é a antena e maior é o seu ganho na direção para a qual está apontada.
Uma antena mais diretiva tem a vantagem de rejeitar com maior facilidade os sinais que incidam lateralmente, ou seja, que venham de direções que não sejam aquela para a qual ela está apontada. Observamos também nesse gráfico o que se denomina relação frente/costa de uma antena.
c) Polarização
Os sinais emitidos pelas antenas possuem uma orientação definida para as componentes elétrica e magnética da onda. Isso significa que as antenas emitem sinais polarizados conforme seu formato. Se uma antena tem uma polarização vertical e por isso os sinais são emitidos com componentes orientadas segundo mostra a figura 16, uma antena receptora que esteja posicionada de modo diferente, ou seja, polarizada horizontalmente não receberá estes sinais de maneira satisfatória.
O melhor exemplo disso está nas transmissões comuns de TV que são polarizadas horizontalmente e que por isso exigem que as antenas receptoras sejam posicionadas de forma a receber este tipo de sinal, com suas varetas na horizontal
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