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ABC Das Antenas

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  Abc das Antenas, Allan Lytel (Início: 20/03/2013) A antena pode ser considerada o elo mais importante na cadeia de transmissão e recepção por ondas de rádio. Os primeiros projetos de antenas foram desenvolvidos pelos físicos Hertz e Marconi, a partir de experiências realizadas no final do século XIX e início do século XX. Até os dias de hoje a teoria fundamental sobre antenas, desenvolvida por esses dois cientistas, é adotada. Antes de iniciar os estudos sobre o funcionamento das antenas, é importante tratar as ondas de rádio, saber suas propriedades e características. Esse estudo não terá seu foco nas operações matemáticas complexas relacionadas às antenas, às ondas de rádio e aos campos eletromagnéticos. Ondas de rádio As ondas de rádio são uma forma de radiação eletromagnética. Suas propriedades fundamentais são: 1-   Frequência; 2-   Intensidade do campo; 3-   Polarização; 4-   Direção de deslocamento. A diferença das ondas de rádio para as demais ondas  –  de calor, luz, raios X, raios cósmicos, etc- é a sua  freqüência  ou comprimento de onda . Relação matemática entre a velocidade , a  frequência  e o comprimento de onda :  λ = 300 / f  λ = comprimento de onda, em metros.  300 = velocidade da luz  , no espaço livre, em milhares de quilômetros  f= freqüência, em megahertz  As ondas de rádio podem ser classificadas quanto à sua propagação como: 1- Ondas Terrestres (ou Superficiais): Inclui as ondas diretas    –  ou ondas de linha de visão- e aquelas que são refletidas pela terra. Deslocam-se ao longo da superfície terrestre e dependem da terra como meio de propagação.   2- Ondas Espaciais: São as ondas refletidas pela ionosfera (regiões ionizadas da parte superior da atmosfera) ou pela troposfera e que retornam à terra. É irradiada para cima e é mais ou menos afetada pela ionosfera, de acordo com a sua frequência. (Pg 11  –  figura)  As antenas transmissoras  emitem  –  irradiam- um sinal, sob a forma de camadas hemisféricas de energia ,  ou  frentes de onda . Essas ondas podem ser captadas por antenas receptoras , ou seguir para o espaço exterior. Aquelas que seguem para o espaço, quando não passam por efeitos de refração e reflexão verificados em certas faixas de frequência, são consideradas como energia perdida . A superfície terrestre é meio de propagação essencial para as ondas superficiais. Contudo, ela oferece uma resistência às correntes induzidas pelo sinal irradiado, o que gera uma limitação às distâncias que podem ser atingidas por propagação terrestre. A comunicação por ondas de rádio com frequências superiores à 30 MHz são transmitidas pelas partes do sinal que não dependem essencialmente da superfície terrestre para a propagação. A ionosfera As ondas espaciais são afetadas pelas camadas de partículas ionizadas ou carregadas da ionosfera. As ondas com frequências superiores a 30 MHz ultrapassam a ionosfera e se perdem no espaço. Já as ondas com frequência inferior a 30 MHz são refletidos pela ionosfera e retornam à terra a diferentes distâncias do transmissor. O alcance da transmissão dos sinais de uma antena pode ser aumentado pelo aproveitamento da onda espacial refletida.  A ionização da atmosfera se dá pela radiação ultravioleta do sol e pelos raios cósmicos provenientes do espaço exterior. Estes raios são dotados de grande velocidade e alto nível energético, o que faz com que haja o desprendimento de elétrons de alguns átomos e moléculas de ar das camadas superiores da atmosfera, onde o ar é rarefeito. Assim, nessa região ficam concentrados elétrons livres, íons positivos e íons negativos Os cientistas concluíram que há quatro camadas de partículas ionizadas ao redor da terra. Cada uma dessas camadas tem uma densidade e uma espessura diferente, alcançando distâncias de aproximadamente 80 a 360 quilômetros acima da superfície terrestre. A camada mais próxima à superfície exerce menos influência. Já as próxima camadas, compreendem altitudes que variam:    entre 80 e 144 quilômetros;    entre 144 e 240 quilômetros;    entre 144 e 360 quilômetros. Como já foi dito, essas camadas não são delimitadas com exatidão, mas são diferenciadas de acordo com o grau de densidade dos elétrons: a densidade de uma camada é maior que a da camada imediatamente abaixo. (pg 13  –  figura) À noite, como não há irradiação direta de raios ultravioleta pelo sol, há uma tendência à extinção e acomodação das camadas ionizadas. Com essa variação na disposição das camadas pode haver transmissões de sinais a maiores distâncias à noite do que durante o dia.  A ionosfera  exerce influência sobre ondas de rádio de certas frequências. O efeito dessa ação consiste em alterar a direção de propagação das ondas. Quando uma onda de rádio atinge os elétrons livres da ionosfera, esses elétrons absorvem parte da energia da onda e vibram. A amplitude de vibração depende da frequência da onda: quanto menor a frequência, maior a amplitude e a velocidade. A transmissão de ondas com frequências superiores a 30 MHz não é totalmente confiável. O elétron que vibra se torna uma carga móvel  –  corrente elétrica- e cria um campo de radiação. A onda que passa é então absorvida pelo elétron, que irá reirradiá-la com uma direção diferente da inicial. O efeito global desse fenômeno é conhecido como refração ionosférica, que é mudança da direção de propagação da onda quando esta passa de regiões de maior densidade de elétrons para regiões de menor densidade de elétrons. As sucessivas refrações fazem com que a onda que penetra na ionosfera retorne à terra a diferentes distâncias do transmissor, dependendo do ângulo de entrada. A distância entre o transmissor e o ponto em que a onda espacial retorna à terra é chamada de distância de salto,   já que a área compreendida entre o limite de cobertura da onda terrestre e esse ponto, o sinal não pode ser captado. Essa área é chamada de  zona de silêncio. A onda emitida pela antena transmissora pode atravessar a ionosfera e ganhar o espaço exterior, ou ser refletida pela ionosfera para a terra. A onda de rádio pode apresentar uma trajetória curva, graças à mudança de velocidade que sofre à medida que se propaga. Essa variação de velocidade da onda depende: 1-   Da temperatura:  com a diminuição da temperatura há um aumento na velocidade de propagação da onda 2-   Da pressão atmosférica: com a diminuição da pressão atmosférica há um aumento na velocidade de propagação da onda  3-   Da quantidade de vapor d´água: com   o aumento da quantidade de vapor d´água há um aumento na velocidade de propagação da onda.   Sabe-se que a mudança de altitude é acompanhada por alterações nos fatores citados acima. “ Em geral, observa-se o aumento da velocidade das ondas de rádio à medida que a altitude aumenta”.  Isso provoca uma pequena curvatura em uma onda de rádio que se desloca por cima da superfície da terra. (pg 17). Pode haver casos em que os padrões não são seguidos, formando ductos. Outra situação que leva à alteração na propagação das ondas é a reflexão dos sinais por outras superfícies que não sejam a ionosfera (satélites, por exemplo). A propagação por espalhamento troposférico é um outro método para aumentar o alcance de certos tipos de transmissão. Esse fenômeno depende de condições atmosféricas específicas  (não acontecem todo o tempo, como as reflexões na ionosfera, que podem ser usadas continuamente). Grande parte das ondas de frequências altas são apenas enviadas à distâncias muito curtas, já que elas passam pela ionosfera sem ser refratadas, perdendo-se para fins de comunicações terrestres. Polarização As ondas de rádio são compostas de duas componentes: o Campo Magnético  e o Campo Elétrico. Esses dois campos se mantêm em ângulo reto entre si.   (fig 1.13) A direção do Campo Elétrico  de uma onda determina sua polarização. A polarização das ondas de rádio dependem da  posição da antena transmissora  em relação à terra. Quando a antena transmissora é horizontal, ela irradia uma onda horizontalmente polarizada. Quando a antena é vertical em relação à terra, ela irradia uma onda verticalmente polarizada. Isso significa dizer que o vetor Campo Magnético é horizontal ou vertical. A onda verticalmente polarizada passa por menos atenuações à antena receptora, de modo que esta leve um pouco mais de energia até a antena receptora que a horizontalmente polarizada. A onda verticalmente polarizada, contudo, está mais sujeita à ruídos. Padronizou-se que as transmissões de FM e televisão são horizontalmente polarizadas. Faixas de Frequência As faixas de frequência têm gradne importância na propagação de ondas de rádio. Há convenções para a nomeação das diferentes faixas, com sua sigla em inglês:    Frequências muito baixas (VLF) 10 a 30 kHz   Muito utilizadas para comunicação à longas distâncias. As ondas terrestres são pouco atenuadas, e as ondas espaciais são bem refletidas. Pode atingir até milhares de quilômetros. As antenas de transmissão de ondas com essa frequência possuem, porém, grandes dimensões e são dispendiosas.    Frequências baixas (LF)  30 a 300 kHz A onda terrestre de baixa frequência tem um alcance menor em relação às VLF, já que ela sofre uma atenuação maior durante sua propagação. Além disso, a absorção espacial é mais significante. O alcance diurno dessas ondas passa a ser de centenas de quilômetros. As ondas espaciais  podem auxiliar no aumento da cobertura  de alcance do sinal.
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