Propagação das Ondas de Rádio

 

As ondas de rádio são uma forma de radiação eletromagnética similar às ondas sonoras e à luz visível, mas diferindo destas quanto ao modo como são geradas e detectadas (i.e. transmitidas e recebidas), assim como a forma como se propagam no espaço, a uma velocidade aproximada de 300.000 km/s (a velocidade da luz). As ondas de rádio podem ser refletidas, refratadas e difratadas, e apresentam perda de energia devido fatores como a freqüência usada e a distância percorrida, assim como a atenuação no espaço livre e outros tipos de perda.

Modos de Propagação

As ondas de rádio, dependendo da freqüência utilizada, se propagam de diferentes modos, brevemente referidos a seguir:

  • propagação por onda terrestre: as ondas de rádio se propagam acompanhando a superfície da Terra, possibilitando comunicações além do horizonte. Este modo ocorre mais comumente nas transmissões em LF e MF (i.e. ondas longas e ondas médias).
  • propagação por onda celeste: as ondas de rádio são refratadas pela ionosfera de volta à Terra, possibilitando comunicações a longa distância. As transmissões em HF (i.e. ondas curtas) propagam-se desse modo. Também referida como propagação ionosférica.
  • propagação por visibilidade: as ondas de rádio propagam-se ao longo de linhas quase retas do transmissor ao receptor; as antenas transmissora e receptora estão visíveis entre si. Transmissões em VHF e UHF (e.g. FM, TV-VHF e TV-UHF) propagam-se por visibilidade (ou linha de visada).

Atmosfera Terrestre

Para compreender como as ondas se propagam no espaço, convém conhecer a composição da atmosfera terrestre e os fatores que a afetam. A atmosfera é dividida em três camadas. A camada inferior é a troposfera, com uma altura de até 11 km. Sua influência na propagação se dá por meio de atenuações devido a chuva, neve, vapor d'água, etc. A camada intermediária é a estratosfera, que alcança uma altura de 50 km, tendo efeito desprezível na propagação. A camada superior é a ionosfera, estendendo-se até aproximadamente 400 km de altura em relação à superfície terrestre. Esta última camada, no que diz respeito às ondas curtas, é a mais importante a ser analisada.

Troposfera

A troposfera é a camada mais baixa da atmosfera, sendo nela onde ocorrem todos os fenômenos climáticos. Não existe praticamente ionização na troposfera. Geralmente a troposfera é caracterizada pelo decréscimo constante de temperatura e de pressão, bem como a diminuição da densidade, à medida que a altitude aumenta.

A refração das ondas de rádio na troposfera é função de diversas variáveis meteorológicas. Devido ao aquecimento desigual da superfície o ar está em constante movimento, provocando pequenas turbulências, que com o aumento da altitude tornam-se menos intensas. Essas turbulências têm pouco efeito nas ondas transmitidas usando freqüências inferiores a 30 MHz (ou seja, abaixo da faixa de alta freqüência), devido ao fato do comprimento de onda ser grande em relação ao tamanho da turbulência. Quando uma frente de onda passando através da troposfera encontra uma turbulência, uma pequena quantidade de energia é espalhada a partir da onda incidente. É como se a turbulência recebesse o sinal e o irradiasse. Como apenas uma parte da energia irradiada é reirradiada pela turbulência, o nível de potência do sinal do espalhamento troposférico é extremamente baixo, resultando em uma baixa eficiência.

As características de propagação na troposfera variam sob certas condições de tempo, e podem permanecer invariáveis por um longo período. Em elevadas altitudes, ocorrem constantemente inversões de temperatura, por causas variadas (e.g. uma massa de ar quente passando sobre uma massa fria, o rápido resfriamento da superfície depois do crepúsculo, o aquecimento do ar acima das nuvens por reflexão dos raios solares na superfície superior destas). Estas inversões de temperatura provocam refrações radicais, com a onda transmitida refratando-se continuamente nos limites inferior e superior da inversão. Dessa forma, é criado um "duto troposférico" onde as ondas ficam retidas por distâncias consideráveis, até a inversão de temperatura ser normalizada. Embora a transmissão por dutos troposféricos seja altamente desejável, não é usada freqüentemente devido à imprevisibilidade da formação dos dutos.

duto troposférico

Estratosfera

A estratosfera, localizada entre a troposfera e a ionosfera, apresenta temperatura praticamente constante (por isso sendo também chamada de região isotérmica). Além disso não é sujeita a inversões de temperatura, tampouco pode causar refrações significativas. Para efeitos de propagação das ondas de rádio, a estratosfera pode ser considerada como uma camada inerte.

Ionosfera

A ionosfera não constitui-se em uma camada homogênea, sendo dividida em sub-camadas, ou regiões, que variam no decorrer do dia. A razão é que a ionosfera, devido à baixa densidade de gases existente, apresenta uma grande quantidade de íons (átomos ou moléculas que sofreram perdas ou acréscimo de elétrons, portando passando a apresentar carga positiva ou negativa), criados em função basicamente da radiação solar. Os elétrons livres, e não os íons, é que realmente influem na propagação. Como a ionização é provocada pela radiação solar, a ionosfera varia no decorrer do dia, sendo a ionização menor à noite devido à ausência de radiação solar, permitindo a recombinação das partículas ionizadas. A ionosfera é dividida nas seguintes camadas, variando conforme a altitude em relação à superfície terrestre: D, E, F.

camadas da ionosfera

A camada D estende-se de 50 km a 70 km, possuindo ionização reduzida, e somente existindo durante o período diurno; após o pôr do sol essa camada desaparece devido à rápida recombinação iônica. A camada D consegue refratar apenas as ondas de baixa freqüência; todavia, também influi nas ondas, atenuando-as ou mesmo absorvendo-as.

A camada E estende-se de 70 km a 100 km, possuindo um maior grau de ionização, mas também existindo apenas durante o período diurno. As freqüências refratadas por essa camada são mais altas do que as freqüências refratadas pela camada D. Eventualmente, pode ser observada nessa camada a Esporádica E, que como o próprio nome diz pode se formar a qualquer instante, tendo duração e dimensões imprevisíveis. Também pode se formar durante a noite, alterando o percurso das ondas transmitidas, que seriam refratadas a uma altura inferior.

A camada F é composta por duas camadas distintas, F1 (de 100 km a 200 km) e F2 (de 200 km a 400 km). À noite, ou mesmo durante o dia dependendo do ciclo solar, F1 e F2 são indistintas, resultando na formação de uma única camada, F. O nível de ionização nessas camadas é muito alto, pois a recombinação dos íons é mais lenta devido à atmosfera ser mais rarefeita nessas altitudes. Por isso, sempre pode ser observada uma camada ionizada. Por causa disso, e também devido à altitude em que se encontram, essas camadas são responsáveis pelas transmissões a longa distância em alta freqüência.

Variações na Ionosfera

A ionosfera, como foi observado, não é um meio homogêneo tampouco estável, apresentando variações a intervalos de tempo determinados, ou por outras razões, algumas enumeradas abaixo:

  • variações ao longo do dia: A radiação solar, conforme comentado anteriormente, modifica a densidade de elétrons da ionosfera. Ou seja, a ionização varia em função da posição do Sol, aumentando progressivamente pela manhã até alcançar um máximo no início da tarde, depois decrescendo, sendo substancialmente reduzida à noite (quando há ausência de atividade solar).
  • variações sazonais: As freqüências máximas de operação variam sazonalmente, i.e. em função da estação do ano. Esta é uma das principais razões pelas quais ocorre o câmbio de freqüências por parte das emissoras de ondas curtas pelo menos duas vezes ao ano, próximo aos equinócios da primavera e outono.
  • variações causadas pelo ciclo solar: A atividade solar não é constante. Pelo contrário, obedece a um ciclo que se renova a cada 11 anos, aproximadamente, chamado ciclo solar. Este ciclo pode ser observado pela atividade solar, ou mais precisamente pela atividade das manchas solares (regiões de temperaturas relativamente baixas localizadas na superfície do Sol). Quando o número de manchas solares é elevado, a ionosfera apresenta uma densidade maior de elétrons; conseqüentemente, a propagação melhora para as freqüências mais altas. Valores mensais da atividade das manchas solares, e valores futuros preditos, são computados por vádios centros de pesquisa, o que auxilia na determinação da faixa de freqüências a utilizar.
  • variações em função da latitude: Devido à incidência menor da radiação solar nas áreas próximas aos pólos, a densidade de elétrons é menor na ionosfera nessas áreas, comparando com as áreas próximas ao equador.

Além dos fatores acima enumerados, existem alguns outros que podem causar modificações na consistência da ionosfera, como por exemplo o "Espalhamento F", que acontece quando a camada F se torna difusa devido à ocorrência de irregularidades, fazendo com que a onda recebida seja na verdade a superposição de diferentes ondas refratadas de diferentes alturas e posições na ionosfera em curtos momentos.

Tipos de Onda Transmitida

Basicamente, há dois tipos de ondas eletromagnéticas transmitidas: a onda terrestre e a onda celeste. A onda terrestre é grandemente afetada pela condutividade da Terra e quaisquer obstáculos tais como colinas ou edifícios. A onda terrestre é composta de três ondas distintas: onda direta, onda refletida, e onda superficial, como visto adiante. Já a onda celeste se propaga através da atmosfera, refratando-se na ionosfera, e retornando de volta à superfície terrestre, podendo alcançar longas distâncias.

Onda Terrestre

A onda superficial se propaga em contato com a superfície da Terra. Devido à condutividade terrestre uma porção da energia da onda superficial é absorvida pela superdície terrestre. O grau de absorção varia de modo inversamente proporcional à condutividade da superfície: quanto maior a condutividade menor é a absorção, e maior é o ângulo de inclinação (o ângulo entre a superfície e o plano de transmissão), resultando em um maior alcance da onda superficial. Por exemplo, transmissões sobre água salgada têm alcance consideravelmente maior se comparado com transmissões sobre terra.

onda superficial

A onda direta se propaga quase numa linha reta entre o transmissor e o receptor. A onda direta é ligeiramente inclinada pela refração troposférica, fazendo com que a onda se incline em direção à superfície terrestre, com a transmissão se estendendo além do horizonte visual. É também chamada de onda troposférica.

onda direta e onda refletida

A onda refletida é a porção da onda terrestre que é refletida na superfície. A intensidade com que a onda é refletida depende do coeficiente de reflexão da superfície contra a qual ela se choca e do ângulo de incidência. Embora este ângulo e o ângulo de reflexão sejam iguais, há uma variação na fase das ondas incidente e refletida, com uma defasagem de 180o. Este tipo de onda é considerado indesejável em certos casos, podendo provocar o cancelamento completo da onda na antena receptora caso esta receba simultaneamente a onda direta e a onda refletida com a mesma amplitude. Contudo, em geral o cancelamento é parcial, pois além da defasagem não ser exatamente de 180o devido ao fato da onda refletida demorar mais tempo para chegar à antena receptora, a onda refletida pode apresentar uma menor intensidade causada pela absorção parcial da onda irradiada.

onda superficial completa com onda espacial

Onda Celeste

A onda celeste é a onda irradiada em uma direção tal que o ângulo em relação à superfície terrestre é suficientemente grande para direcioná-la à ionosfera, onde a onda é refratada de volta à superfície. Esta onda pode ser refletida de volta à ionosfera, repetindo o processo. É dessa forma que as ondas curtas comumente se propagam, possibilitando transmissões a longa distância.

A ionosfera influi decisivamente na propagação por onda celeste. Geralmente age como um condutor absorvendo parte da energia da onda transmitida, mas também age como um espelho rádio, refratando a onda celeste de volta à superfície. A capacidade da ionosfera em retornar uma onda de rádio depende de fatores como a densidade de íons, ângulo de irradiação e freqüência de transmissão. A onda pode mesmo nem ser refratada, passando através da ionosfera.

refração da onda espacial pela ionosfera

A distância entre a antena transmissora e o ponto de retorno à superfície depende do ângulo de irradiação, que por sua vez é limitado pela freqüência, pois quanto maior a freqüência utilizada mais difícil é a refração, apesar de resultar em um alcance maior. Cada camada na ionosfera pode refratar ondas de rádio até uma freqüência máxima, a MUF (Maximum Usable Frequency - Máxima FreqÜência Útil). Dessa discussão conclui-se que existe uma "freqüência ótima", a OWF (Optimum Work Frequency - Freqüência Ótima de Trabalho), que representa um determinado percentual da MUF. Além do estado da ionosfera, fatores como comprimento do circuito e outros descritos anteriormente (ciclo solar, sazonalidade, etc) são usados para determinar a MUF para determinada hora e camada da ionosfera, ou então uma predição de seu valor baseada em observações efetuadas ao longo do tempo.

refração na ionosfera em função da freqüência

O ângulo de irradiação também é importante. Sabe-se que acima de uma determinada freqüência as ondas transmitidas não são refratadas, continuando pelo espaço. Contudo, se o ângulo de irradiação for reduzido, parte das ondas de alta freqüência retornam à superfície. O maior ângulo no qual uma onda é propagada e retornada à terra após ser refratada na ionosfera é chamado de ângulo crítico para aquela freqüência em particular.

O ângulo de irradiação pode ser aproximadamente determinado em função da freqüência utilizada e a distância entre transmissor e receptor:

  • 1,5-3,0 MHz: Baixo ângulo de irradiação para longas distâncias. Um alto ângulo de irradiação pode causar desvanecimento da recepção da onda terrestre.
  • 3,0-7,0 MHz: Bom retorno da onda celeste para qualquer ângulo. Ângulo de irradiação alto pode ser utilizado para alcances entre curtos e moderados, enquanto ângulo de irradiação baixo deve ser usado para transmissões a longas distâncias.
  • 7,0-12,0 MHz: Ângulo de irradiação de 45o a 30o para distâncias curtas ou moderadas. Baixos ângulos de irradiação devem ser usados para longas distâncias.
  • 12,0-30,0 MHz: Não é útil para distâncias curtas. O máximo ângulo útil para freqüências entre 12 e 16 MHz é cerca de 30o. À proporção que a freqüência é aumentada, o ângulo deve ser reduzido; acima de 28 MHz o ângulo deve ser menor que 30o.
relação entre freqüência e ângulo crítico

O caminho desde o transmissor até o retorno à superfície é denominado "salto". Dependendo da distância até o receptor, uma onda pode efetuar mais de um salto (a onda reflete na terra e volta à ionosfera onde é refratada, e assim por diante). Denomina-se "distância de salto" à distância entre o transmissor e o retorno à superfície, ou a distância entre cada salto efetuado. Uma parte da onda irradiada pode propagar-se por onda superficial, contudo com um alcance limitado a curtas distâncias com respeito ao transmissor. A região na superfície terrestre que se estende desde o limite do alcance da onda superficial até o ponto de retorno após o primeiro salto não recebe nenhuma onda transmitida, sendo chamada "zona de silêncio".

saltos da onda espacial e distância de salto

As camadas que formam a ionosfera sofrem consideráveis variações em altitude, densidade e espessura, devido principalmente à variação na atividade das manchas solares, conforme discutido anteriormente. Durante os períodos de máxima atividade solar a camada F é mais densa e ocorre a altitudes maiores, influindo decisivamente na distância de salto e no alcance das ondas de rádio transmitidas. À noite, com a ausência de atividade solar, os sinais que seriam normalmente refratados pelas camada D e E são refratados pela camada F, resultando em uma distância de salto maior.

efeito da atividade solar na distância de salto
efeito do desaparecimento da camada E na distância de salto

Fatores de Degradação do Sinal

O sinal transmitido não chega ao receptor com a mesma potência. A propagação das ondas de rádio impõe perdas ao sinal, existindo diversas causas para a degradação do sinal. Dentre as principais causas pode-se citar o desvanecimento (fading), a absorção, e o ruído.

Desvanecimento

O termo "desvanecimento" é utilizado para referir-se a qualquer flutuação ou variação na intensidade de um sinal que ocorra no receptor durante o período em que esse sinal é recebido. O desvanecimento pode ocorrer em qualquer ponto onde tanto a onda terrestre quanto a onda celeste sejam recebidas. Nesse caso as duas frentes de onda podem chegar fora de fase, causando o cancelamento do sinal útil. Em áreas onde prevalece a propagação da onda celeste, o desvanecimento pode ser causado por duas frentes de onda celeste que percorram percursos diferentes, chegando defasadas ao receptor.

Variações na absorção e no comprimento do caminho da onda na ionosfera provocam também desvanecimento. Ocasionalmente, um distúrbio repentino na ionosfera causa a completa absorção de toda irradiação da onda celeste. O desvanecimento também se manifesta quando o receptor se localiza perto da fronteira da zona de silêncio ou quando a freqüência de trabalho tiver um valor próxima ao valor da MUF. Nesses casos, pode ocorrer a queda da intensidade do sinal recebido a níveis praticamente nulos.

desvanecimento

A principal causa de desvanecimento nos circuitos ionosféricos é a propagação em percursos múltiplos, quando um sinal percorre diferentes caminhos até chegar ao receptor. Se as ondas recebidas estiverem defasadas, será produzido um sinal fraco ou desvanecido. Por outro lado, se as ondas forem recebidas em fase, um sinal mais forte será recebido. Pequenas alterações no percurso de transmissão podem causar variações na diferença de fase entre as ondas recebidas.

transmissão por caminhos múltiplos

Ruído

Existem diversas fontes de ruído que afetam a recepção da onda de rádio. O ruído pode ser originado na Natureza (fontes naturais) ou gerado pelo Homem (fontes artificiais). No primeiro caso enquadra-se o ruído atmosférico, que é geralmente a maior causa de ruído na faixa de alta freqüência, sendo maior nas regiões equatoriais, diminuindo com a latitude crescente. Também nesse caso enquadra-se o ruído cósmico, oriundo do espaç sideral, e que afeta mais as altas freqüências. No segundo caso, podem ser incluídos os ruídos causados por ignição de motores de combustão, linhas de transmissão, lâmpadas fluorescentes, máquinas em geral, cabos elétricos, dentre outros. Este tipo de ruído está diretamente relacionado ao avanço tecnológico e/ou à densidade populacional nas áreas onde é recebido o sinal. Como os ruídos artificiais tendem a ser verticalmente polarizados, a seleção de uma antena polarizada horizontalmente irá auxiliar na redução dos efeitos do ruído.

Atenuação Ionosférica

A camada D provoca atenuação nas ondas que a atravessam. A capacidade de absorção varia de acordo com o ciclo solar, sendo maior em torno ao máximo solar. Também varia sazonalmente e ao longo do dia, sendo maior no verão e ao meio-dia. Pode-se dizer então que a absorção varia de acordo com o grau de ionização de D.

Condições Climáticas

O tempo é um dos diversos fatores que afetam a propagação. Dependendo do fenômeno climático, as ondas de rádio podem ser transmitidas a distâncias maiores, ou atenuadas substancialmente. Infelizmente, não há regras que predigam os efeitos do tempo nas transmissões, pois as variáveis do tempo são complexas e sujeitas a variações freqüentes. Qualquer discussão deve ser limitada a termos gerais.

A atenuação devido às gotas de chuva é maior do que a atenuação devido água em outras formas/estados. A atenuação pode ser causada por absorçào, com as gotas de chuva atuando como um dielétrico pobre, absorvendo a potência da onda eletromagnética e a dissipando por aquecimento ou espalhamento. A atenuação é significativa para as freqüências acima da faixa de VHF.

A atenuação devido ao nevoeiro é similar à atenuação por gotas de chuva. É mais crítica para freqüências acima de 2 GHz, acima da faixa de UHF. Já a atenuação por granizo é determinada pelo tamanho das pedras e sua densidade. Como o gelo possui um índice de refração mais baixo, a atenuação por granizo é consideravelmente menor do que devido às gotas de chuva.


Bibliografia consultada:

  • Eletrônica, volume II, capítulo XVIII, pp. 211-240. Diretoria de Comunicações e Eletrônica da Marinha.
 



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