tutorial radio en lace
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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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Formas de Visualizao dosdiagramas de Radiao
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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Formas de Visualizao dosdiagramas de Radiao
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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8/14/2019 Tutorial Radio en Lace
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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).