Tutorial Radio en Lace

8/14/2019 Tutorial Radio en Lace

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Antenas e Sistemas de RdioAntenas e Sistemas de Rdio--EnlaceEnlace


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Componentes essenciais parauma comunicao Wireless

w Rdio Transmissor (Tx)

w Linha de Transmisso (LT)

w Antena Transmissora

w Meio de Propagaow Antena Receptora

w Linha de Transmisso (LT)

w Rdio Recept or ( Rx)

distncia

Transmissor

TX

Linha deTransmisso

Antena

RX

Receptor

Atmosfera

Antena


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CONCEITOS BSICOS A ESCALALOGARTMICAw O que o dB?

w O dB uma escala usada para representar a relao entre duas potncias.

referncia

medida

P

PdB log10=

A unidade de referncia pode ser W, mW, V, ou at o ganho de uma antena...

Da as derivaes, como o dBW, dBm, dBi...

mW

mWPdBm medida

1

)(log10= )(10 10

)(

mWP

dBmP

=


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ONDAS ELETROMAGNTICAS

- OEM -w Conceito: Perturbao fsica composta por um campo eltrico (E) e um campo

magntico (H) variveis no tempo, perpendiculares entre si, capaz de se propagarno espao.

)(300

)(/MHzf

marvcuo =Freqncia: nmero de oscilaespor unidade de tempo (Hz). Velocidade de propagao:depende do meio onde a onda sepropaga. A velocidade mxima deuma OEM a velocidade da luz,300.000 km/s, no vcuo.

Comprimento de onda: distnciapercorrida pela onda durante umciclo. definido pela velocidade depropagao dividida pela freqncia.


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LINHAS DE TRANSMISSOw uma linha com dois ou mais condutores isolados por um dieltrico que tem por

finalidade fazer com que uma OEM se propague de modo guiado.w Esta propagao deve ocorrer com a menor perda possvel.

As linhas de transmisso podem serconstrudas de diversas maneiras, cabospararelos, pares tranados, microstrip, caboscoaxiais, guias de onda, etc.

d

S


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Impedncia caracterstica deuma L.T. (Cabo Coaxial)

w A impedncia caracterstica de uma L.T. : relao entre a tenso e a correnteentre seus terminais. Depende, em geral, somente das dimenses dos condutorese da constante dieltrica do isolante.

b

a

a

bZo log.

2,138

0=

Zo - Impedncia caracterstica

a - Dimetro externo do condutor interno

b - Dimetro interno da malha externa

0 constante dieltrica do isolante

Vp- Velocidade de propagao

o

CVp

=


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Perdas nos cabos coaxiais.w A princpio uma linha de transmisso tem a funo de transportar a energia

eletromagntica com o mnimo de perdas. Porm, devido s caractersticasinerentes de cada linha (no caso cabos coaxiais por exemplo) o sinal atenua ao

longo do caminho que percorre dentro da L.T.

Freqncia (GHz)

A

t

e

n

u

a

o

(

d

B

12

43

5

1 2 43 6 750

A atenuao proporcional aocomprimento

do cabo, a suascaractersticas

construtivas e freqncia.


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Perdas em 2.5 GHz de algunsCabos Coaxiais.

13,3Times MicrowaveLMR-600

20,4Times MicrowaveLMR-400

57Times MicrowaveLMR-195

6,9KmPCellflex 7/8

11,8KmPCellflex 1/2

78,7@3GHzKmPRG-58

45kmPRGC-213

ATENUAO APROX(dB/ 100 m)

FABRICANTEMODELO


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Coeficiente de reflexo ()w Coeficiente de reflexo: indica a proporo da potncia incidente que refletida

devido a descasamentos de impedncia. Pode ser definida como:

Potncia Incidente

Potncia Refletida

Potncia til

Linha de Transmisso

Antena

Conector da AntenaGeradorde RF = Coeficiente de reflexo

Er = Tenso refletida

Ei= Tenso incidente

Ir = Corrente refletida

Ii= Corrente incidente

Pr = Potncia refletida

Pi= Potncia incidente

i

r

i

r

I

I

E

E==

i

r

P

P= onde: ( )01


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Coeficiente de OndaEstacionria

w Coeficiente de onda estacionria: relao entre a amplitude mxima emnima da tenso ou corrente em uma linha de transmisso, resultanteda interao das ondas incidente e refletida.

w Tambm conhecido por VSWR, SWR, COE.

mn

mx

mn

mx

I

I

E

EVSWR ==

i

r

i

r

P

P

P

P

VSWR

+=

+

=1

1

1

1

= Coeficiente de reflexo

Er = Tenso refletida

Ei= Tenso incidente

Ir = Corrente refletida

Ii= Corrente incidente

Pr = Potncia refletida

Pi= Potncia incidente


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Perda de RetornoReturn Loss

w Indica tambm a proporo entre a potncia incidente e a refletida,

porm na escala logartmica. Pode ser definida como:

log.20)( =dBRL

Potncia Incidente

Potncia Refletida

Potncia til

Linha de Transmisso

Antena

Conector da AntenaGeradorde RF


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5 - Antenasw A abertura fsica de uma LT paralela que transporta uma OEM,

proporciona uma variao senoidal de potencial (Volts) e de corrente(Amperes) nos condutores, provocando o aparecimento de linhas decampo magntico e eltrico variveis em torno do dipolo formado, dandoorigem a uma onda eletromagntica que se propaga.


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Polarizao de uma antena

E, em fsica, o smbolo da intensidade de campo eltrico H, em fsica, e o smbolo da intensidade de campo magntico


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Planos de um diagrama deirradiao

O diagrama de irradiao de uma antena, para ser melhorvisualizado, normalmente representado pela distribuio de energianos planos eltrico e magntico, ditos Plano E e Plano H.


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Planos de um Diagrama de Irradiao

em Relao a Superfcie Terrestre

w As antenas que no so passveis de ajuste de polaridade na instalao painissetoriais, omnidirecionais... os diagramas de irradiao so representados pelo

plano de azimute, e pelo plano de elevao.

Plano Horizontal

ou Azimuth

Plano Vertical,Elevaoou Zenith

Superfcie Terrestre


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Diagrama de Irradiao

Diagrama de irradiao representao grfica da forma como energiaeletromagntica se distribui no espao.

O diagrama pode ser obtidotanto pelo deslocamento deuma antena de prova emtorno da antena que se estmedindo, como pela rotao

desta em torno do seu eixo,enviando os sinais recebidosa um receptor capaz dediscriminar com preciso afreqncia e a potnciarecebidas


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Diagrama de Irradiao de Uma Antena

w Os resultados obtidos so geralmente normalizados. Ao mximo sinal recebido dado o valor de 0 dB, facilitando a interpretao dos lbulos secundrios e relaofrente-costas.

0

60120

180

240 300

-30

-20

-10

0

Diagrama deirradiao, a curvaem azul representa

energia irradiadaem cada direoem torno daantena.


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Formas de Visualizao dosdiagramas de Radiao

w diagrama de irradiao na forma tridimensional

Permite-nos visualizar a distribuio espacial de toda a potncia envolvida.


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w diagrama de irradiao na forma polar

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

-40

-20

0

Fceis de interpretar,os lbulos so identificadospelo ngulo e amplitude. Olbulo principal define osngulos de potncia e omximo ganho. A anlisecorreta da antenanecessita-o em dois planos,vertical e horizontal ouPlano E e Plano H.


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w diagrama de irradiao na forma retangular

w Usual nas antenasde alto ganho, ondea pequena aberturado lbulo principalcompromete ainterpretao dodiagrama deirradiao polar.

-180 -120 -60 0 60 120 180

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Gan

hoNormalisado

ngulo


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ngulos de meia potncia (-3dB)

Os ngulos de meia potncia so definidos pelos pontos no diagrama onde apotncia irradiada equivale metade da irradiada na direo principal.

0

60120

180

240 300

-12

-6

0- 3 dB

- 3 dB

Estes ngulos definem aabertura da antena noplano horizontal e noplano vertical.

-3 dB = 50% Potncia

No exemplo ao ladotemos:

ngulo de 3dB = 55


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Relao Frente / Costas - (RFC)

(Front-to-back F/B)w Relao frente-costas (RFC)

a relao de ganho entre o

lbulo principal e posterior.

Pm

Pop

op

m

P

PRFC=

Pm: Energia Mxima na direode propagao.

Pop: Energia irradiada para trs.

op

m

P

PdBRFC log10)( =


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Diretividade de uma antenaw a relao entre o campo irradiado pela antena na direo de mxima

irradiao e o campo que seria gerado por uma antena isotrpica querecebesse a mesma potncia.

w A diretividade de uma antena define sua capacidade deconcentrar a energia irradiada numa determinada direo.

ISO

mx

E

ED =

Emx: Energia da antena emestudo.

EISO: Energia da antenaisotrpica.


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Ganhow O ganho pode ser entendido como o resultado da diretividade menos as perdas.

Matematicamente, o resultado do produto da eficincia pela diretividade.

DG .= G = GanhoD = Diretividade = Eficincia

A eficincia de uma antena, diz respeito ao seu projeto eletromagntico como umtodo, ou seja, so todas perdas envolvidas (descasamento de impedncia, perdas emdieltricos, lbulos secundrios...)


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Largura de banda (BW)w Largura de banda o intervalo de freqncia a qual a antena deve funcionar

satisfatoriamente, dentro das normas tcnicas vigentes a sua aplicao.

f1 f2

BWG

f

Espera-se que uma antena possua todas as caractersticas especificadas pelofabricante, iguais ao longo de sua banda de operao, ganho, impedncia, VSWR,RFC, Nvel de lbulos secundrios, etc.


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dBd versus dBiw O radiador isotrpico um modelo idealizado, seu diagrama de irradiao uma

esfera com densidade de potncia uniforme.w Um dipolo de meia onda em espao livre apresenta um ganho de 2.15 dBi, ou

seja, possui uma capacidade de concentrar 2.15 dB a mais na sua direo demxima irradiao quando comparado a antena isotrpica.w Ao referenciar-se o ganho de uma antena temos:

w Ao radiador isotrpico usa-se a unidade dBi.w Ao dipolo de meia onda, usa-se a unidade dBd.

dBi = dBd + 2,15

Ganho (dipolo /2) = 0 dBd

Ganho (dipolo /2) = 2.15 dBi


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Antenas - Diagramas de irradiao

Dipolo de Meia onda

Plano MagnticoPlano EltricoG = 2,15 dBiG = 0 dBd

Dipolo de MeiaOnda

Diagrama

Horizontal ou deAzimute

Diagrama

Vertical ou deElevao

Diagrama

Tridimensional

Tipo de Antena


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Yagi de 5 Elementos e Grade

Refletora

Plano EltricoPlano MagnticoG = 8 dBiG = 5,85 dBd

Yagi de 5elementos

Diagrama

Horizontal ou deAzimute

Diagrama

Vertical ou deElevao

Diagrama

Tridimensional

Tipo de Antena


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Omnidirecional de 6 dipolos

Plano MagnticoPlano EltricoG = 9,5 dBiG = 7,35 dBd

Omnidirecionalde seis dipolos

DiagramaHorizontal ou de

Azimute

DiagramaVertical ou de

Elevao

DiagramaTridimensional

Tipo de Antena


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Painel Setorial de 4 dipolos na

vertical

Plano EltricoPlano MagnticoG = 12,5 dBiG = 10,35 dBd

Painel SetorialPolarizao

Vertical

DiagramaHorizontal ou de

Azimute

DiagramaVertical ou de

Elevao

DiagramaTridimensional

Tipo de Antena


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Clculo da potncia

efetivamente irradiada (ERP)

)()()( dBpdBGdBPERPTT

+=

A Potncia ERP a potncia realmente irradiada pela antena.

PT(dB): Potncia em dB do transmissor GT(dB): Ganho em dBi da antena

P(dB): perda por atenuao do cabo coaxial


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Mtodo de alimentao de

antenas - Balunw Como sabemos, um cabo coaxial composto de um condutor interno e uma

malha. Para uma correta alimentao de uma antena, precisamos ter dois sinaisdefasados de meia onda, ou seja, um lado com sinal positivo e outro lado comsinal negativo.

w Com isso utilizamos um dispositivo chamado de balun (Balanced Unbalanced)na alimentao da maioria das antenas.


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Balun ondaw Utilizando-se um trecho de linha de transmisso com meia onda,

obtm-se duas amostras da corrente proveniente do gerador

defasadas de 180o

.

Trecho de /2

( 0 ) ( 180 )

I1I1/2I1/2

I1/2

( +90 ) ( 90 )

I1


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Tipos de Antenasw Yagi

w Painel Setorialw Omnidirecionalw Parbolasw Antenas Patchw Log Peridicasw Helicoidal


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Yagisw Yagisw Conceito: Antena direcional composta de

um refletor (simples ou grade) um dipolo

(simples ou dobrado) e vrios diretores.w Pode ser instalada na pol. vertical ou

horizontal.w As yagis de freqncias acima de 1.5GHz

necessitam o uso de radome, para proteoda gua da chuva.

w So utilizadas geralmente em sistemas

ponto a ponto, porm as yagis de trselementos possuem um ngulo de aberturade at 120 graus, possibilitando seu uso emsistemas ponto - multiponto.

15,5 17,2 dBi25 elementos oumais

13 15 dBi11 elementos

9,5 12 dBi7 elementos

6 8 dBi3 elementos

Ganhos MdiosNmero de

elementos


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Painis Setoriaisw Definio: Antena composta um conjunto de dipolos

alimentados em fase, e uma chapa refletora.

w Utilizao: para enlaces ponto multiponto, onde o ngulo deabertura da antena, atende a uma determinada regio

.

w O ganho e o ngulo de abertura de um painel depende donmero de dipolos, das dimenses da chapa refletora, da

distncia entre os dipolos e sua eficincia na alimentao dosdipolos, que muitas vezes, torna-se bastante complexa.

w Podem ser construdos com dipolos na pol. vertical, horizontal,ou 45 graus.


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Parbolasw Consiste em uma antena (alimentador) que ilumina um refletor parablico que reirradia

essa energia na direo de mximo ganho.w Seu ganho elevado, logo apresenta pequeno ngulo de abertura.w So utilizados para enlaces de grandes distncias.w Sua polarizao em geral linear e o ajuste obtido atravs do giro de 90 graus do

alimentador e do refletor. Nas parablicas slidas, gira-se apenas o alimentador.

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0


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Parbolasw As antenas parablicas podem ter refletores do tipo slido ou vazado. Quanto a

sua posio de alimentao, pode ser do tipo focal point ou off-set.

w Existem vrios tipos de alimentao, mas o fundamental que o diagrama deirradiao do alimentador coincida com as bordas do refletor.

RefletorParablico

AlimentadorPonto Focal

Refletor

Parablico

AlimentadorPonto FocalFora de Centro

Focal Point Off - Set


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Relao de ganho para uma

refletor parablicow Ganho terico

mximo para um

refletor parablico:

( )

=2

..4log*10)(

AdBG

G = Ganho em dBi

A = rea do refletor em m2

= Comp. Onda em metros

= Rendimento

( )

=

*

..4log*10)(

2

AdBG Ganho real:


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Log - Peridicasw Conceito: Antena utilizada em servios onde necessitam uma grande largura de banda

(BW). Consiste em vrios dipolos de tamanhos e distncias diferentes, onde no final, oconjunto ressona em uma largura de banda maior.

w

Possuem um ganho inferior as yagis, quando comparadas pelo tamanho.w So utilizadas em enlaces ponto a ponto.w Seus diagramas de radiao so similares s yagis .w Podem ser instaladas na pol vertical ou horizontal.


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Omnidirecionaisw Antena que irradia uniformemente no

plano de azimute.

w Consiste em vrios dipolosempilhados e alimentados em fase.

w O ganho obtido com relao aonmero de dipolos e a distncia entreeles.

14,15 dBi16

11,15 dBi8

8,15 dBi4

5,15 dBi2

2,15 dBi1

Ganhomdio

Nmero dedipolos


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Comparao entre os Diagramas

de duas Omnidirecionais

w Diagrama de Irradiao no Plano Vertical (E)

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

-30

-20

-10

0

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

-30

-20

-10

0

Omni 8 dBi Omni 15 dBi


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Influncia da Torre ou Mastro

na Instalao de uma Omni

w O diagrama de irradiao das antenas omnidirecionais bastante prejudicadopela reflexo causada pelos elementos da torre ou mastro.

w Para minimizar este efeito, efetua-se a instalao distante da torre em 10 .

Simulao


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Patch Antenasw As antenas patch so confeccionadas em placas de circuito impresso.w Sua principal aplicao para ambientes indoor, porm pode-se tambm ser usada

ambientes outdoor. Contudo, protees extras contra intempries devem ser aplicadas, pois

so muito mais sensveis umidade.w Possui baixo custo de montagem, pois sua estrutura resume-se em uma placa, um conector,o refletor e o radome.

w Possui baixa eficincia de irradiao, pouca largura de banda e geralmente possuemngulos de abertura pequenos.


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Antena Helicoidal

w Estas antenas utilizam a polarizao circular

w So bastante comuns em utilizao na comunicao via

satlite, pois no precisam ajuste de polarizao.w Muito utilizada em GPS no controle de navegao,

pois apresentam uma abertura compatvel com ongulo do sinal incidente dos satlite.


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Dimensionamento de RdioEnlaces

Antena Setorial

Divisor de Potncia

Transmissor

X

Y

Z

Distncia


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Clculo de Rdio - Enlacesw Direcionamento de um enlace Ponto a Ponto com alturas diferentes

w ngulo de t i l t .

Ponto A

Ponto B

d = distncia em metros

=

d

Harctan

= ngulo em graus ()

rH = Diferena de Altura entre os pontos A e B (m)

d = Distncia entre o ponto A e B (m)


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Atenuao de Espao Livrew Uma OEM propagado-se no espao sofre uma atenuao contnua. Ao nos

afastarmos da fonte a mesma quantidade de energia distribuda em uma reamaior, diminuindo a densidade de potncia na regio.

w

A atenuao de espao livre pode ser calculada pela expresso abaixo:

Sentido dePropagao

X

A1

A2

d1

d2

=

DdBAo

..4log.20)(

wD Distncia do (m)

w - Comprimento de onda (m)

wAo:Atenuao em espao livre (dB)


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Dimensionamento de um

Enlace Ponto a Pontow A partir do nvel mnimo de sinal exigido pelo receptor faz-se o somatrio das demais

variveis, corrigindo-as sempre que for necessrio.

Equao Geral

TX

Gt

Pt

Gr

RX

Pr

Ao

d = distncia em metros

Transmissor Receptor

wTX - Potncia de sada do rdio (dBm)wPt - Perda por atenuao no cabo coaxial (dB)wGt - Ganho da antena do transmissor (dBi)wGr - Ganho da antena do receptor (dBi)wPr - Perda por atenuao no cabo coaxial (dB)wRX - Sensibi l idade do receptor (dBm)wAo - Atenuao por espao l ivre (dB)

Pr++= GrAoGtPtTxRx


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Comportamento da Potncia ao

longo do percursow Indicao grfica da variao do nvel de potncia ao

longo do percurso da OEM.

TX Pt

Gt

PrGr

Ao

RX

Potncia(dB)

Percurso da Onda Eletromagntica


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Elevao Terrestre e

Radiovisibilidadew Uma portadora pode tomar vrios caminhos entre as antenas que

compe um rdio-enlace.

A B

C

Dependendo dascaractersticas do meio, a

OEM pode sofre desviosde percurso.

A Sinal Refratado

B Sinal Refletido

C Sinal Difratado


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Difrao das ondas eletromagnticas

devido a obstculosw Quando uma onda eletromagntica limitada em seu avano por um

objeto opaco que deixa passar apenas uma frao das frentes de onda,estas sofrem uma deflexo denominada difrao.

OndaDi

reta

OndaDifratada

Zona desombra

AntenaTransmissora

AntenaReceptora

Obstculo

Uma nova onda composta pelos radiadores, com caractersticas de frentes de ondadiferentes da onda original.


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Refrao atmosfrica das

ondas eletromagnticasw No clculo de enlaces de microondas a trajetria da OEM sofre um encurvamento

direo ao solo, pela passagem atravs de um meio com ndice de refraovarivel com a altitude. Esta mudana de trajetria denomina-se refrao da OEM.

Trajetria da Onda

Camadas da

Troposfera

A trajetria desviada de forma que a onda percorra o traado de uma arco descendente.


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Radiohorizonte

w Define-se como radiohorizonte, a linha de horizonte com radiovisibilidade para umtransmissor ou receptor. Leva-se em conta a curvatura terrestre e a refraoatmosfrica.

w A equao abaixo, indica a mxima distncia entre um transmissor e um receptor,em funo da altura das antenas para que haja radiovisibilidade.

h2 (m)

d (km)

h1 (m)

2112,4 hhd +=d = distncia entre as antenas (km)

h1 = altura da antena 1 (m)

h2 altura da antena 2 (m)

Para raio equivalente = 4/3


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Elipside de Fresnelw o lugar geomtrico dos pontos entre as duas antenas que possui comprimento

igual a soma da distncia entre as antenas e meio comprimento de onda, regiotambm denominada primeira zona de Fresnel.

w Todas as caractersticas do espao, nas proximidades da linha de visada dasantenas que diferem das caractersticas do vcuo, esto envolvidas no processode propagao.

distncia

distncia + /2Seco da Zona

de Fresnel


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Clculo do raio de Fresnelw O raio da seo reta circular da primeira zona de Fresnel em um ponto definido

pelas distncias D1 e D2 a partir das antenas na trajetria da visada do rdioenlace pode ser calculado como se segue:

df

DDrm .

.547 21=

D2

Rm

D1

d

PontoA

PontoBPonto C

rm = raio de Fresnel (m)

D1 = Distncia AC (km)

D2= Distncia BC (km)d= Distncia do Enlace (km)

f= Freqncia em MHzAplicao:

Verificar as obstrues da primeira zona e as perdas causadas pelas mesmas.

Se o elipside de Fresnel estiver livre de obstrues propagao no espao livre.


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Outros Fatores que Proporcionam

Perdas na Atmosferaw Atenuao devido a Chuvas

w Atenuao devido aos gases da Atmosferaw Degradao do XPD (despolarizao)

w Variao do Nvel de Rudo Espectral

Contramedida:

Utilizao de Fator de Segurana


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Tipos de Interfernciasw As interferncias podem ser classificadas de acordo com suas fontes e

tambm em fixas e variveis

wInterferncias Fixas: So as que mantm a relao sinal rudo fixas

w Interferncias Variveis: So as que no mantm o SNR constante.

w Interferncias de acordo com suas Fontes:

w Do mesmo Enlace (mutua) (sistemas com multiplos canais);

w Interferncia do sinal Refletido;

w Interferncia de outros Enlaces (diagrama de radiao das outrasantenas).

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