propagaçao de ondas eletromagneticas

propagaçao de ondas eletromagneticas

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cf TECo q em radianos (3.38)

3.2.5 Modulação de Fase

Neste método, chamado diferencial de atraso de grupo e dispersão de fase, a fase de modulação (da freqüência Δƒ) na freqüência ƒ1 é comparada com a mesma modulação numa freqüência maior ƒ2 (Davies,1990). A modulação de fase φm é dada por:

φm =c

TEC(3.39)
φm ≈ 8,447 x 10-7Δƒ/ƒ12(3.40)

3.3 Ionosfera

A Ionosfera é a região superior da atmosfera, compreendida aproximadamente entre 50 a 1000 km de altura e caracterizada pela alta condutividade, devido ao número elevado de íons e elétrons livres que a compõe.

A ionosfera é dividida em três camadas ou regiões as quais são mostradas na Figura 3.1. A camada D, compreendida entre 50 a 90 km de altura, e que contem a camada de raios cósmicos ou camada C. A camada E, está compreendida entre 90 a 140 km de altura, é produzida pelos raios X moles (Soft X-Rays) do Sol, e tem esporadicamente uma camada ionizada relativamente mais densa, conhecida como camada E esporádica (Es). A camada F, tem geralmente a maior densidade de elétrons, está acima dos 140 km de altura, e é subdividida em duas camadas: F1 e F2, as quais são produzidas pela radiação EUV (extreme ultraviolet light). Acima da ionosfera está a plasmasfera.

As ondas de rádio são refratadas somente na camada E, F1, F2 e quando está presente, na Es. A camada D é importante porque absorve ou atenua as ondas.

FIGURA 3.1 - Estrutura da ionosfera em um dia de verão para uma latitude média. FONTE: Davies (1990, p.2).

A região mais importante para a propagação de HF é a F2 pois:

• Está presente durante as 24 horas do dia. • Permite caminhos longos de comunicação na parte superior.

• Usualmente reflete as altas freqüências na banda de HF.

• Possue um maior tempo de vida de elétrons (20 minutos) comparado com as outras camadas E (20 segundos) e F1(1 minuto) (IPS, 2002).

A ionização é causada durante o dia pela radiação solar , cujos fótons colidem com átomos ou moléculas neutras, gerando elétrons livres e deixando íons com carga positiva. O processo inverso, a perda de elétrons também sucede durante a noite e o dia. Estes elétrons livres se combinam com íons carregados positivamente formando partículas neutras.

A ionosfera é um meio que varia muito, e em comunicação HF não dá para usar a mesma freqüência durante todo o ano, nem sequer durante todo o dia. Esta varia em função do ciclo solar, a estação, latitude, longitude, a hora, etc. Isto implica que devemos escolher (fazer predições) freqüências ótimas de trabalho (FOT) para cada período e poder manter a comunicação.

3.4 Propagação Terra- Espaço

Este tipo de propagação é quando uma onda vai de um ponto na superfície terrestre ou próxima dela a outro no espaço atravessando a ionosfera ou vice-versa. Isto se realiza utilizando freqüências altas, geralmente UHF e SHF.

Os principais efeitos da ionosfera na propagação Terra–espaço incluem a rotação de Faraday do plano de polarização da onda, dispersão por irregularidade, absorção na região D, atraso de tempo, diferença de fase, freqüência de ressonância, flutuações de amplitude ou cintilação, refração, etc. Alguns destes efeitos são mostrados na Figura 3.2.

FIGURA 3.2 - Principais efeitos ionosféricos na propagação de uma onda eletromagnética. FONTE: Davies (1990, p. 274).

Na atualidade a banda de freqüência do espectro mais desejável para satisfazer as necessidades de propagação, está entre 1 a 10 GHz. Este é conhecido como “noise window”, na qual os ruídos são mínimos e a absorção atmosférica pode ser desprezada. Mas, com o congestionamento nessas freqüências deve-se procurar outras acima de 10 GHz, que permitam ter uma performance equivalente às que estão abaixo de 10 GHz.

3.4.1. Excesso de Atraso de Tempo

Devido à concentração de elétrons ao longo da trajetória do sinal, o diferencial de fase e modulação de fase sofrem ambos erros relativos ao atraso de tempo T de propagação do sinal, de acordo com a seguinte fórmula :

T = ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛2

Onde T é em segundos, ƒ é a freqüência em Hz e TEC é em elétrons m-2.

3.4.2 Refração

A Figura 3.3 ilustra a refração da trajetória da onda através da ionosfera. O erro angular ξ (Davies 1990, p.279) é relativo ao erro em distância ρ (= cT) dado por:

i sina)ha2(h

ρ(3.42)

i R onde Δ é o ângulo de elevação verdadeiro, a é o raio da Terra (≅ 6371 km ), R é a distância Terra-satélite e hi é a altura do centróide de maior densidade eletrônica, geralmente entre 300 a 450 km.

Na presença de um gradiente horizontal de TEC e para ângulos de incidência próximo ao zênite, o erro angular é dado por:

ξ = 40,3ƒ-2dTEC /dx(3.43)
desvio angular.

FIGURA 3.3 - Trajetória do raio Satélite-Terra, mostrando a curvatura reflexiva e FONTE: Davies (1990, p. 280).

3.4.3 Principais aplicações de sistemas de propagação Terra-Espaço

Atualmente existe uma série de sistemas que precisam deste tipo de comunicação, entre os quais podemos mencionar:

1) Sistemas de propagação transionosférica; que operam em freqüências superiores a 200 MHz, e geralmente precisam de um satélite no espaço como terminal.

2) O Sistema de Posicionamento Global (GPS); que é um sistema de navegação espacial de alta precisão, que provê ao usuário informação com precisão de posição de 15 a 20m, de velocidade de 0,10 m/s e de tempo de 40ns.

3) Satélites de comunicação; que são providos de uma larga banda passante para permitir a transmissão de dados rapidamente entre um número grande de usuários. Existem vários satélites enlaçados tais como: INTELSAT, COMSAT, DSCS, NATO, MARISAT, etc.

4) Satélites de vigilância; que operam em freqüências entre 2 e 3 GHz, monitorando atividades do oceano (SEASAT) e desastres naturais sobre a Terra (LANDSAT).

5) Sistemas Geodésicos; que operam geralmente acima de 2 GHz, usados para medidas geodésicas (por exemplo medir deslocamento de continentes) e para rádio-astronomia.

6) Sistema de transferência de tempo de alguns sistemas de satélites (especialmente GPS), que são usados para sincronizar e comparar relógios e freqüências padrões com estabilidade na ordem de 10-14.

3.5 Propagação Terra - Terra

Esta forma de propagação se apresenta entre receptores localizados em diferentes pontos da Terra os quais podem comunicar-se em bandas como HF, que usam as propriedades da ionosfera para estabelecer os melhores canais de comunicação. É possível estabelecer comunicação Terra–Terra em outras bandas como VLF, LF, MF, VHF, UHF, SHF mas o efeito principal da ionosfera é em HF, pois é a banda que permite a comunicação de um ponto a qualquer outro do planeta com maior simplicidade.

Um sinal de rádio em HF (3 – 30 MHz) pode propagar-se a um receptor distante de três formas (Figura 3.4):

• Onda de terra (ground wave): perto da Terra, para distâncias pequenas de 100 km em continente e 300 km sobre o mar. O alcance da onda depende da altura da antena, polarização, freqüência, tipo de terreno, vegetação ou estado do mar.

• Onda direta ou linha de visada (direct or line of sight wave): esta onda interage com a onda refletida na Terra, depende da separação do terminal, freqüência e polarização.

• Onda de céu (sky wave): refletida na ionosfera, alcança qualquer distância.

FIGURA 3.4 - Tipos de propagação HF. FONTE: IPS (2002, p.12).

Atualmente existem modelos ou programas que determinam freqüências ótimas de propagação entre dois lugares diferentes em função da latitude, longitude, distância, hora, ângulo de irradiação de antena, estação do ano, etc. Estes programas devem considerar na predição parâmetros ou índices de longa duração, características ionosféricas e parâmetros do sistema. Também é muito importante conhecer as distâncias, pois isto determina o número de saltos de distância (hop length), que é a distância coberta por uma onda de rádio que é refletida na ionosfera e volta para a Terra

3.5.1 Freqüências Usáveis

Para qualquer circuito (sky wave) existe uma freqüência máxima usável (Maximum Usable Frequency -MUF) a qual é determinada pelo estado da ionosfera nas vizinhanças da área de reflexão e a distância do circuito.

A MUF é refletida na área de máxima densidade eletrônica da região. Durante o dia é possível comunicar-se via a camada E ou F usando diferentes freqüências. A maior freqüência suportada pela camada E é a EMUF, e a maior suportada pela camada F é a FMUF.

A FMUF varia durante o dia, sazonalmente e com o ciclo solar. Esta pode ser obtida por métodos gráficos (nomogramas) ou por modelos de camadas parabólicas. Como a FMUF varia muito durante o dia, para garantir a comunicação 95% do tempo se trabalha com uma MUF reduzida, a qual é conhecido como Optimum Working

Frequency (FOT ≈ 0,85 MUF).

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