quarta-feira, 30 de outubro de 2019

Ondas de Rádio e Propagação

Ondas de Rádio

Essencialmente, as ondas de rádio são uma forma de radiação eletromagnética, cujas propriedades fundamentais são a frequência, a intensidade de campo, a polarização e a direção de deslocamento. As ondas de rádio diferem das ondas de calor, luz, raios X, raios cósmicos, etc., tão somente no que diz respeito à frequência ou comprimento de onda. A velocidade dessas ondas depende do meio em que se propagam; no espaço livre ela é de aproximadamente 3 x 108 metros por segundo, isto é, 300.000.000 de metros por segundo. Esta é também a velocidade da luz no espaço livre, a qual, embora geralmente se pense que é constante, está na realidade sujeita a variações que ocorrem quando a onda passa de um meio de propagação para outro. Estas variações de velocidade desempenham um papel importante na propagação das ondas de rádio, e serão discutidas minuciosamente neste artigo.

Existe uma importante relação matemática entre a velocidade, a frequência e o comprimento de onda, a qual é expressa pela fórmula:

Onde:

λ é o comprimento de onda, em metros,
300 é a velocidade da luz, no espaço livre, em milhares de quilômetros, e
f é a frequência em megahertz.

Basicamente, a fórmula mostra que uma onda de baixa frequência terá um grande comprimento, enquanto a uma alta frequência corresponde um pequeno comprimento de onda.

De um modo geral, as ondas de rádio podem ser classificadas em dois tipos básicos, no que diz respeito à propagação: (1) ondas terrestres e (2) ondas espaciais. A Fig. 1 ilustra a diferença principal entre os dois tipos de onda. A onda terrestre inclui todas as componentes de uma onda de rádio, com exceção daquelas que são afetadas pela ionosfera ou pela troposfera. Neste tipo de onda estão incluídas a onda conhecida como direta, ou de linha de visão, e a onda refletida pela terra. As ondas que retornam à terra depois de refletidas pela ionosfera ou troposfera são consideradas ondas espaciais.

Figura 1 - Diferença entre a propagação por
onda terrestre e por onda espacial.

A onda terrestre (ou onda superficial) desloca-se ao longo da superfície da terra e, na realidade, depende da terra como parte do seu meio de transmissão. A onda espacial é irradiada para cima e é mais ou menos afetada, conforme sua frequência, pela ionosfera (regiões ionizadas da parte superior da atmosfera). Ao nos referirmos às ondas terrestres, ondas espaciais, etc., estamos realmente falando de partes de um mesmo sinal irradiado por uma determinada antena. Um sinal deixa uma antena transmissora em forma de camadas hemisféricas de energia, ou frentes de onda, como se vê na Fig. 2. Certas partes do sinal correm junto à terra e podem ser captadas por uma antena receptora, enquanto outras partes se movem em direção ao espaço exterior e, exceto por efeitos de refração e de reflexão verificados em certas faixas de frequências, são consideradas como energia perdida.

Figura 2 - A energia deixa a antena transmissora em
forma de frentes de onda ou "conchas" de energia.

Como a onda terrestre, ou parte dela, constitui o principal meio de comunicação pelo rádio, durante o dia, as antenas transmissoras são projetadas especialmente para aumentar a cobertura da onda terrestre. A cobertura adicional é considerada como ganho da antena. A Fig. 3 mostra como o ganho de uma antena aumenta a cobertura pela onda terrestre.

Figura 3 - O ganho da antena aumenta a cobertura devida à onda terrestre.

Como já foi dito, uma boa parte da onda terrestre depende da superfície da terra para a sua existência. A terra, contudo, oferece resistência às correntes induzidas pelo sinal irradiado, e isto constitui um fator de limitação para as distâncias que podem ser atingidas por propagação essencialmente terrestre. Diz-se então que a onda terrestre é atenuada pela superfície terrestre. Esta atenuação aumenta com a frequência até que, a partir de aproximadamente 30 MHz, este tipo de transmissão só é confiável nas imediações do transmissor. Além de 30 MHz, a comunicação por rádio é feita essencialmente pelas partes do sinal que não dependem da superfície terrestre para sua propagação. Essas ondas, como já foi observado anteriormente, compreendem as que se propagam diretamente, ou na linha de visão, e as que são refletidas pela terra. A Fig. 4 ilustra estes dois últimos tipos de ondas.

Figura 4 - Ondas direta e refletida pela terra.

A Ionosfera

Conforme já foi mencionado anteriormente, as ondas de rádio que se deslocam afastando-se da superfície terrestre são usualmente consideradas como energia perdida. Isto, entretanto, depende da frequência ou comprimento de onda do sinal irradiado. Nas frequências entre 3 e 30 MHz, a atenuação da onda terrestre é muito rápida, limitando a cobertura com este tipo de propagação a pequenas distâncias do transmissor. Para comunicações a longas distâncias, nestas frequências, usa-se quase que exclusivamente a propagação por ondas espaciais. A onda espacial é afetada por diversas camadas de partículas carregadas ou ionizadas, que se encontram na atmosfera superior e que são conhecidas como ionosfera. Também esta influência da ionosfera depende da frequência, de modo que nas frequências acima de 30 MHz os efeitos da ionosfera são pequenos e os sinais passam através dela, perdendo-se no espaço. Nas frequências abaixo de 30 MHz, os sinais são desviados ou refratados pela ionosfera, o bastante para retornarem à terra a diferentes distâncias do transmissor, dependendo do ângulo de reflexão. Em certas frequências, compreendidas na faixa dos 3 aos 30 MHz, pode-se estabelecer comunicação segura entre pontos situados a milhares de quilômetros de distância, por meio da reflexão da onda espacial. A figura 5 mostra como o alcance da transmissão pode ser aumentado pelo aproveitamento da onda espacial refletida.

Figura 5 - Ampliação da cobertura, obtida
pela reflexão ionosférica da onda espacial.

A ionização da atmosfera superior ocorre, em princípio, por causa da forte radiação ultravioleta emitida pelo Sol. Os raios cósmicos e outros tipos de radiação provindas do espaço exterior também contribuem para a ionização. Estes raios, ao penetrarem nas camadas superiores da atmosfera, encontram-se com as moléculas e átomos do ar e, devido à sua enorme velocidade e consequente alto nível de energia, arrancam elétrons de alguns dos átomos e moléculas. O resultado é uma região com elétrons livres, íons positivos e íons negativos, no ar rarefeito da alta atmosfera, conhecida como ionosfera.

Os cientistas concluíram que há pelo menos quatro camadas de partículas ionizadas rodeando a terra. Estas camadas variam de densidade e espessura e alcançam aproximadamente 80 a 360 quilômetros acima da superfície da terra, dependendo da época do ano, da hora, etc. As quatro camadas, sob condições diurnas normais, são identificadas como camadas D, E, F1 e F2 (Fig. 6). A camada D tem pouca influência - apenas alguns efeitos de absorção - e pode ser omitida das observações que se seguem. A camada E varia em altitude de aproximadamente 80 a 144 km, a camada F1 de cerca de 144 a 240 km e a camada F2 de aproximadamente 144 a 360 km. Estas camadas não são delimitadas precisamente, pois há um certo grau de ionização entre elas, conforme é sugerido pela Fig. 6. A palavra camada refere-se neste caso a áreas de máxima densidade de elétrons, e a densidade de cada camada é maior do que a da camada que lhe fica imediatamente abaixo.

Figura 6 - Diagrama ilustrando as quatro camadas
da ionosfera (condições diurnas normais).

À noite, na ausência de qualquer radiação ultravioleta direta do Sol, a camada F1 tende a se extinguir; a camada F2 desce e combina-se com a F1 para formar uma camada que é conhecida como F2 noturna. A altitude média desta camada é de aproximadamente 240 km, estando sujeita a ligeiras variações nas diferentes estações do ano. A camada E também tende a se extinguir durante a noite, chegando às vezes a desaparecer completamente, deixando somente a camada F2 noturna. Devido a essa diferente acomodação das camadas ionizadas, consegue-se obter transmissões a maiores distâncias durante a noite do que durante o dia.

Como a ionosfera afeta as ondas de rádio

Como foi afirmado anteriormente, as camadas ionizadas da atmosfera superior atuam sobre ondas de rádio de certas frequências e o efeito desta ação consiste em mudar a direção de propagação dessas ondas. Isto acontece por causa do comportamento dos elétrons livres na ionosfera, quando uma onda de rádio penetra na região. Os elétrons livres absorvem parte da energia da onda que passa e começam a vibrar com uma amplitude e uma velocidade que dependem da frequência ou comprimento de onda do sinal. (Os sinais de frequência mais baixa fazem com que os elétrons vibrem com maiores amplitudes e velocidades; assim, nas frequências mais altas, o efeito é menos pronunciado e, em condições normais, não se pode confiar na transmissão por onda espacial, ou por "saltos", em frequências acima de aproximadamente 30 MHz).

Quando um elétron vibra, ele  se torna na realidade uma carga móvel e assim pode ser chamado de corrente elétrica. Como as correntes elétricas criam campos de radiação, o elétron vibrante funciona como uma pequena antena , absorvendo energia da onda que passa e re-irradiando-a em direção diferente da original. O efeito global de tudo isto é denominado refração ionosférica, ou mudança da direção de propagação da onda quando esta passa de regiões de maior densidade de elétrons para regiões de menor densidade de elétrons. Quando a onda original penetra na ionosfera sob certos ângulos, as refrações sucessivas fazem com que ela retorne à terra a diferentes distâncias do transmissor, dependendo do ângulo de entrada. Parte do sinal vai atingir a terra a distâncias muito maiores do que a que seria possível atingir com a onda terrestre, como mostra a Fig. 7. A distância entre o transmissor e o ponto em que a onda espacial retorna à terra é chamada distância de salto porque, na área entre o limite de cobertura da onda terrestre e esse ponto, o sinal não pode ser captado. Esta área é chamada "zona de silêncio".

Figura 7 - Trajetórias de ondas na ionosfera, para
três ângulos de incidência diferentes.

Para compreender melhor como se dá a refração ionosférica, examinemos as leis da refração, no domínio da óptica, para em seguida estabelecermos um paralelo com o comportamento das ondas de rádio. A Fig. 8 mostra uma lâmina de vidro comum. Um raio luminoso, propagando-se através do ar, penetra no vidro no ponto A, atravessa o vidro de A para B e neste último ponto retorna para o ar.

Para ressaltar os detalhes importantes do fenômeno, traça-se no ponto A uma linha vertical ou normal (N2). Observe que, ao atingir o vidro, o raio luminoso forma um certo ângulo (ângulo 1) com a normal (N1). Contudo, pelo fato de a luz se deslocar mais lentamente no vidro do que no ar, (o vidro é mais denso do que o ar), o raio luminoso é desviado na direção da normal e passa a formar com ela um ângulo (ângulo 2), menor que o ângulo 1.

Figura 8 - Trajetória de um raio luminoso através do vidro.

Esta é uma característica básica da refração; um raio luminoso passando de um meio menos denso para um mais denso é desviado em direção à normal. Inversamente, um raio luminoso, ao passar de um meio mais denso para um menos denso, é desviado de modo a afastar-se da normal. Isto é indicado no ponto B, onde o raio luminoso abandona o vidro, reentrando no ar.

Um caso um tanto diferente é ilustrado pela Fig. 9. Supõe-se agora que o raio luminoso (R) teve origem no interior do vidro. Observe que a onda luminosa atinge a superfície do vidro e passa para o ar como anteriormente. Um segundo raio luminoso, S, entretanto, não passa para o ar, mas é refletido, de tal forma que fica retido no interior do vidro. O fato a ser ressaltado aqui é que, sob certo ângulo, um raio luminoso que se origina no interior do vidro parece ter sido refletido pela fronteira entre os dois meios e permanece no interior do vidro.

Figura 9 - Trajetórias de dois raios luminosos que se originam no interior do vidro.

O mesmo princípio se aplica a uma onda de rádio que penetra na ionosfera, proveniente da atmosfera. Assim como o raio luminoso S, que se origina no interior do vidro, é refletido pela superfície do vidro e permanece no interior do vidro, uma onda de rádio, originando-se na superfície da terra, é refletida pela ionosfera e retorna à terra pela atmosfera, sendo esta um meio mais denso do que a ionosfera.

Naturalmente, isto depende também do ângulo de incidência da onda que penetra na ionosfera. Se o ângulo é muito grande, como o das ondas B e C da Fig. 7, a onda (dependendo da sua frequência) pode atravessar a ionosfera e ganhar o espaço exterior, embora seja desviada, ou refratada, como mostra aquela figura. Quando o ângulo é suficientemente pequeno, o efeito de refração faz a onda retornar à terra, como se vê para a onda C da Fig. 7.

Propagação anormal

Diversos são os tipos de propagação de ondas que se verificam na atmosfera, dependendo de variações na própria atmosfera. Ao passar de um meio mais denso para um menos denso, uma onda de rádio ou raio luminoso é refratado de forma a afastar-se da normal, mas isto é apenas um aspecto do fenômeno. As trajetórias de muitos sinais de rádio são encurvadas porque a onda se desloca através da atmosfera com diferentes velocidades. A velocidade em cada ponto depende de numerosos fatores, entre os quais a temperatura, a pressão atmosférica e a quantidade de vapor d'água presente no ar. A curva A da Fig. 10 mostra que a velocidade aumenta quando a temperatura abaixa. A mesma curva serve para mostrar que a velocidade também aumenta com a diminuição da pressão atmosférica. Neste gráfico, ao deslocar-se da esquerda para a direita, tem-se uma diminuição de temperatura e de pressão ou um aumento da quantidade de vapor d'água, conforme o caso.

Figura 10 - Efeito da temperatura, pressão e vapor
d'água sobre a velocidade das ondas de rádio.

A curva B mostra que a velocidade da onda de rádio diminui quando a quantidade de vapor d'água aumenta. Assim sendo, para cada uma dessas três variações (mudança de temperatura, variação da pressão e da quantidade de vapor d'água) há uma alteração na velocidade das ondas de rádio.

Considerando todos estes fatores, é claro que a velocidade das ondas de rádio varia com a altitude, pois temperatura, pressão e vapor d'água variam com a altitude. Sob condições atmosféricas normais, esta variação é muito pequena. Contudo, observa-se um aumento na velocidade das ondas de rádio à medida que a altitude aumenta. Isto produz uma pequena curvatura em uma onda de rádio que se desloca por cima da superfície da terra.

A temperatura e o vapor d'água estão sujeitos a constantes variações na atmosfera. Normalmente esta variação é tal que o índice de refração varia com a altitude, da forma que se vê na Fig. 11 A. Esta forma de variação é a forma normal, ou padrão, de variação do índice de refração em função da altitude, ou altura em relação ao nível do mar. Contudo, há condições em que a variação do índice de refração não segue a forma padrão, dando lugar a uma propagação anômala. Sob tais condições, forma-se uma região de características especiais, conhecida como ducto, a qual tem a propriedade de conduzir as ondas de rádio de modo análogo a um guia de onda.

Figura 11 - Curvas de índice de refração versus altitude.


Normalmente, à medida que a altitude aumenta, a temperatura baixa. Também o vapor d'água diminui em quantidade à medida que a altitude aumenta. Há circunstâncias especiais, contudo, em que a temperatura primeiramente decresce com a altitude, porém subitamente começa a aumentar. Esta condição anormal é conhecida como inversão de temperatura. Também pode acontecer, sob certas circunstâncias particulares, que o conteúdo de vapor d'água na atmosfera aumente em certos pontos acima da superfície da terra.

Quando esses fenômenos ocorrem há condições favoráveis para formação de um ducto. A figura 11 B mostra o índice de refração variando de um modo anormal, à medida que a altitude aumenta até certo ponto, para em seguida prosseguir variando normalmente. Em alguns casos, como em C, o ducto ocorre entre dois níveis específicos de altitude. Em qualquer caso, a formação do ducto não é usual e ela afeta as ondas de rádio de forma também inusitada.

A Fig. 12 mostra ondas de rádio partindo de um transmissor T e dirigidas para um receptor R. Sob condições normais, as ondas de rádio se deslocariam aproximadamente em linha reta, como mostra a linha A. Contudo, devido ao efeito de ducto, a onda de rádio pode ser encurvada de modo a seguir a trajetória B. Em consequência, a energia do transmissor pode atingir receptores a uma distância maior, por esse processo anormal. A transmissão por ductos pode aumentar de muitas vezes o alcance de certos tipos de radiocomunicações *.

* As ondas de rádio normais se encurvam em seu deslocamento, sendo recebidas um pouco além da linha de visão, em muitos casos.


Figura 12 - Aumento do alcance de transmissão por efeito de ducto.

Outros efeitos de transmissão que não são anormais, porém pouco comuns, incluem a reflexão por outras coisas que não a ionosfera. Por exemplo, foram usados nos anos 60,  satélites reflexivos sincrônicos para estabelecer comunicações entre dois pontos. Neste caso, a energia do transmissor atinge o satélite, é refletida por este e retorna à terra. A propagação por espalhamento troposférico é um outro meio de aumentar o alcance de certos tipos de transmissão. A maior parte da energia em frequências muito altas é enviada somente a distâncias muito curtas. A razão disso é que a energia em altas frequências passa através da ionosfera sem ser refratada, sendo efetivamente perdida para fins de comunicações terrestres.

Embora a maior parte dessa energia se perca no espaço exterior, uma parte dela, pequena porém ainda útil, é defletida pela troposfera e isto espalha a energia além do horizonte. Assim, é possível obter comunicações além do horizonte normal, em frequências que normalmente não seriam usadas para transmissões a longa distância. A propagação por espalhamento troposférico não é a mesma coisa que a reflexão pela ionosfera, porque o espalhamento troposférico depende de certas condições atmosféricas que não persistem todo o tempo. As reflexões na ionosfera, ao contrário, podem ser usadas continuamente.

Polarização

Uma onda de rádio consiste em um campo elétrico e um campo magnético combinados. Estes dois campos se mantêm em ângulo reto, conforme estão representados na Fig. 13, e ambos variam em função do tempo. A direção de propagação da onda, nesta figura, é representada por uma seta. O campo magnético pode ser representado por uma senóide que se move horizontalmente, representando as variações de campo magnético e o campo elétrico pode ser representado por uma senóide que se move verticalmente, traduzindo as variações de campo elétrico. Todas as ondas de rádio tem estas duas componentes e podem ser representadas simbolicamente de várias maneiras.

Figura 13 - Diagrama representativo dos campos elétricos
 e magnético que compõem uma onda de rádio.

Na Fig. 14, por exemplo, está representada uma onda cujo sentido de deslocamento é para fora do papel, em direção ao leitor. O campo magnético é representado por um vetor disposto verticalmente e o campo elétrico por um vetor colocado horizontalmente. A direção do campo elétrico de uma onda determina a polarização dessa onda, Quando o vetor campo elétrico é horizontal, como na Fig. 15A, diz-se que a onda de rádio é uma onda horizontalmente polarizada. Quando o vetor campo elétrico é vertical, como na Fig. 15 B, diz-se que a onda é verticalmente polarizada. O campo elétrico e o campo magnético estão sempre em ângulo reto um com o outro.

Figura 14 - Representação vetorial de uma frente de onda.

A polarização das ondas de rádio depende da posição da antena transmissora em relação à terra. Quando a antena é horizontal, ela irradia uma onda horizontalmente polarizada; quando a antena transmissora é vertical, a onda irradiada é verticalmente polarizada. A onda verticalmente polarizada sofre menos atenuações. Em consequência, uma onda verticalmente polarizada leva um pouco mais de energia à antena receptora do que uma onda horizontalmente polarizada. Por outro lado, entretanto, uma onda verticalmente polarizada é mais sujeita a ruído. Por causa desta e de outras considerações, a polarização horizontal foi padronizada para as transmissões de FM e televisão.

Figura 15 - O vetor campo elétrico determina a polarização da onda.

Faixas de frequências

Para ilustrar a importância da frequência na propagação das ondas de rádio, são enumeradas nos parágrafos seguintes as características de propagação das diversas faixas de frequências. Esta distribuição de frequências ao longo do espectro é adotada internacionalmente e por isso são dadas as abreviaturas já consagradas, correspondentes ao nome da faixa em inglês.

1. Frequências muito baixas (VLF) - 10 a 30 kHz - As ondas de rádio com estas frequências são muito confiáveis para comunicações a longa distância. É possível atingir a milhares de quilômetros, durante o dia. A atenuação da onda terrestre é muito pequena e a reflexão da onda espacial é boa. Entretanto, os sistemas de antena necessários para a transmissão nestas frequências são muito grandes e dispendiosos.

2. Frequências baixas (LF) - 30 a 300 kHz - A cobertura da onda terrestre nesta faixa é um pouco menor do que na de VLF, por causa da maior atenuação. Além disso, a absorção espacial começa a ser considerável, durante o dia, principalmente no extremo superior desta faixa. O alcance diurno, nestas frequências, não mais atinge a milhares de quilômetros, mas fica reduzido à ordem das centenas. É possível, contudo, obter maior cobertura, utilizando a onda espacial.

3. Frequências médias (MF) - 300 a 3000 kHz - Esta região do espectro inclui a faixa de radiodifusão comercial, na qual é possível uma cobertura confiável a distâncias de até 160 quilômetros da antena transmissora. Uma cobertura satisfatória além desse limite é obtida usualmente durante a noite, por meio da onda espacial.

4. Frequências altas (HF) - 3 a 30 MHz - Nesta região, a cobertura da onda terrestre é muito pequena, ficando restrita a apenas uns poucos quilômetros de distância do transmissor. A propagação por onda espacial é a única forma segura de propagação a longa distância, especialmente no extremo superior da faixa.

5. Frequências muito altas (VHF) - 30 a 300 MHz - Esta região inclui as faixas comerciais de FM e televisão em VHF. As antenas transmissoras para estas frequências são montadas de preferência a grande altura em relação ao solo, de modo que a propagação direta (na linha de visão) é o principal meio de comunicação. A reflexão da onda espacial pela ionosfera não é possível, normalmente.

6. Frequências ultra-altas (UHF) - 300 a 3000 MHz - A propagação direta, ou na linha de visão, pode ir além do horizonte visual, nesta região do espectro, devido aos efeitos de refração mais pronunciados da atmosfera terrestre. A distância real que pode ser coberta depende da altura das antenas receptora e transmissora. A absorção do sinal também aumenta nestas frequências mais altas, contudo, em vista de influências atmosféricas como a umidade.

7. Frequências super-altas (SHF) - 3 a 30 GHz - Nestas frequências, especialmente acima de 10 GHz, a absorção dos sinais devido à umidade e precipitações (chuva, neve, etc.) torna-se muito grande. Esta faixa constitui o limite superior de frequência dos sinais que tem uso prático em comunicações por ondas de rádio, empregando processos comuns de geração e transmissão do sinal. Entretanto, já existem técnicas inteiramente diferentes, tais como os feixes de laser e maser, que são atualmente empregadas. Pode-se esperar, em um futuro próximo, o estabelecimento de comunicações em frequências tão elevadas como as das ondas luminosas.

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