Propagação

4547 x carregado & 4658 x vizualizado

Propagação

As ondas de rádio, tal como a luz e outras formas de radiação electromagnética, normalmente propaga-se em linha recta. Claro que isto não sucede sempre, porque as comunicações a longa distância fazem-se para lá da linha do horizonte.
A forma como as ondas de rádio se propagam sem ser em linha recta é um assunto complicado, sem ser um mistério.

Fundamentos das Ondas de Rádio

A rádio pertence à família de radiação electromagnética que inclui o infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X, raios gama e cósmicos. A rádio possui o comprimento de onda mais longo do grupo, e a frequência mais baixa.
As ondas electromagnéticas resultam da interacção entre um campo eléctrico e um campo magnético. Uma Carga eléctrica que oscile num condutor cria um campo eléctrico e o correspondente campo magnético. O campo magnético por sua vez cria um campo eléctrico, que cria outro campo magnético, e por aí for a.
Estes dois campos interagem criando uma onda electromagnética, que se propaga no espaço. As componentes eléctrica e magnética fazem entre si um ângulo recto, e 90º em relação à direcção de propagação.
A polarização de uma onda de rádio é geralmente a mesma do seu campo eléctrico.
Esta relação pode ser observada na figura abaixo.

(24898 bytes)

Velocidade

As ondas de rádio, tal como todas as outras formas de radiação electromagnética, propagam-se aproximadamente a 300.000 km por segundo no vácuo. As ondas de rádio propagam-se mais lentamente através de qualquer outro meio. A diminuição da velocidade na atmosfera é tão ligeira que é geralmente ignorada, mas por vezes até esta pequena diferença é significativa. Por sua vez a velocidade de propagação num condutor, é cerca de 95% da velocidade no vácuo.

A velocidade de uma onda de rádio é sempre o produto do comprimento de onda pela frequência, qualquer que seja o meio. A relação pode ser resumida por:

c=fl
onde
c= velocidade em metros/segundo
f=frequência em Hertz
l=comprimento de onda em metros

O comprimento de onda (l) de qualquer frequência de rádio pode ser determinada por esta formula.
No vácuo, onde a velocidade é de 300 000 000m/s, o comprimento de onda de um sinal de rádio com a frequência de 30Mhz é de 10 metros. Noutros meios de propagação o comprimento de onda diminui porque a velocidade de propagação é menor. Num fio condutor, o comprimento de onda de um sinal de 30Mhz diminui para 9,5m. Este factor deve ser tomado em consideração no desenho de antenas e outras aplicações.

Atenuação e Absorção

As ondas de rádio enfraquecem à medida que se propagam, seja no quase vazio do cosmos ou na atmosfera terrestre. A atenuação no vácuo resulta da dispersão da energia a partir da fonte. Ver figura abaixo.

(2186 bytes)

A atenuação cresce rapidamente porque o sinal diminui na razão do quadrado da distância. Se a distância entre o emissor e o receptor aumentar de 1 km para 10 km, o sinal diminuirá para um centésimo da intensidade. A atenuação por dispersão é um factor importante na intensidade do sinal, mas os sinais de rádio sofrem outros tipos de atenuação.
Energia é perdida por absorção quando as ondas de rádio atravessam outros meios que não o vácuo. As ondas de rádio propagam-se através da atmosfera ou materiais sólidos (como um fio condutor) excitando electrões, que irão radiar energia na mesma frequência. Este processo não é perfeitamente eficiente, pelo que alguma energia é transformada em calor e retida no meio. A quantidade de energia perdida desta forma depende das características do meio e da frequência. A atenuação na atmosfera é desprezível dos 10MHz aos 3 GHz, mas a frequências mais elevadas a absorção devida ao vapor de água e oxigénio podem ser elevadas. A energia das ondas electromagnéticas é também perdida durante a refracção, difracção e reflexão, os fenómenos que permitem comunicar a longa distância. De facto, qualquer forma útil de propagação é acompanhada de atenuação.

Refracção

As ondas electromagnéticas propagam-se me linha recta até serem deflectidas por algo. As ondas de rádio são ligeiramente refractadas, ou dobradas, quando passam de um meio para outro. Neste aspecto as ondas de rádio comportam-se da mesma maneira que outras formas de radiação electromagnética. A dobra aparente de um lápis parcialmente imerso em água demonstra este principio.

wpe9.gif (7459 bytes)
A refracção é causada pela mudança de velocidade da onda quando atravessa a fronteira entre um meio de propagação e o seguinte. Se esta transição é feita num ângulo diferente de 90º, uma parte da frente de onda acelera (ou retarda) antes da outra, dobrando a onda ligeiramente. Isto é mostrado de forma esquemática na figura seguinte.

(2238 bytes)

As ondas de rádio são refractadas ao passar obliquamente de um meio para outro. As linhas representam as cristas de uma frente de onda, sendo a distância entre linhas o comprimento de onda. A direcção da onda muda porque um dos extremos da frente de onda desacelera antes da outra, quando atravessa a fronteira entre os dois meios. O comprimento de onda é encurtado, mas a frequência mantém-se constante.

O grau de refracção é directamente proporcional à diferença entre os índices de refracção dos meios. O índice de refracção não é mais do que a velocidade de uma onda de rádio no vácuo dividida pela velocidade no meio em questão.
As ondas de rádio são geralmente refractadas quando atravessam diferentes camadas da atmosfera, seja a ionosfera a 100 ou mais quilómetros de altitude, ou as camadas inferiores da atmosfera. Quando a relação entre os índices de refracção é suficientemente grande, as ondas de rádio podem ser reflectidas, tal com a luz num espelho. A Terra é um reflector com perdas elevadas, mas uma superfície de metal funciona bem se possuir alguns comprimentos de onda de diâmetro.

Dispersão

A direcção das ondas de rádio também pode ser alterada por dispersão. O efeito observado num feixe de luz que tenta atravessar o nevoeiro é um bom exemplo da dispersão de uma onda luminosa. Mesmo numa noite límpida, o cone de luz de um farol é visível devido a uma pequena quantidade de dispersão atmosférica perpendicular ao feixe luminoso. As ondas de rádio dispersam-se da mesma forma quando encontram objectos dispostos de forma aleatória, de dimensão igual ou menor ao comprimento de onda, como massas de electrões, ou gotículas de água.

(12903 bytes)

Quando a densidade dos objectos dispersantes se torna suficientemente grande, comportam-se mais como um meio de propagação com um índice de refracção característico.

Reflexão

Tratando-se de frequências acima de 30 MHz, reflexões causadas grandes objectos, como edifícios, aviões e montanhas podem proporcionar um meio de aumentar o alcance para lá da linha do horizonte em várias centenas de quilómetros
Duas estações necessitam apenas de apontar as antenas para um reflector comum, seja ele estacionário ou móvel. Contrariamente ao que o senso comum dita, a melhor posição para um reflector não é a meio caminho entre as duas estações. A intensidade do sinal aumenta à medida que o reflector se aproxima de um dos extremos do percurso, fazendo com que os reflectores mais eficientes estejam próximos de uma das duas estações.
O alcance máximo está limitado pela distancia de linha de vista (rádio) das duas estações para o reflector e pelas forma e dimensão do mesmo. Os reflectores devem possuir vários comprimentos de onda de dimensão e de preferência ser planos. Aviões comerciais de longo e médio curso são bons reflectores e oferecem a oportunidade de contactos a longa distancia. O limite teórico para a reflexão obtida pelo uso de aviões é de cerca de 900 km, assumindo que os jactos comerciais não voam a mais de 12 000 m, mas na realidade os contactos conseguidos são bastante menores.

Difracção

As ondas de rádio podem ser difractadas ou dobradas em torno de objectos sólidos com arestas vivas. A figura seguinte representa um frente de onda passando através de uma aresta viva. A porção da onda adjacente à aresta é retardada ligeiramente, fazendo com que a frente de onda pareça dobrar-se à volta dela. O efeito prático é permitir a comunicação por trás de um objecto sólido.

(2458 bytes)

O grau de refracção é directamente proporcional à diferença entre os índices de refracção dos meios. O índice de refracção não é mais do que a velocidade de uma onda de rádio no vácuo dividida pela velocidade no meio em questão.
As ondas de rádio são geralmente refractadas quando atravessam diferentes camadas da atmosfera, seja a ionosfera a 100 ou mais quilómetros de altitude, ou as camadas inferiores da atmosfera. Quando a relação entre os índices de refracção é suficientemente grande, as ondas de rádio podem ser reflectidas, tal com a luz num espelho. A Terra é um reflector com perdas elevadas, mas uma superfície de metal funciona bem se possuir alguns comprimentos de onda de diâmetro.

O cume de uma cordilheira com pelo menos 100 comprimentos de onda de comprimento pode servir para a difracção em frequências de rádio. Cumes agudos, livres de arvores e horizontais dão as melhores arestas, mas memo cumes arredondados podem servir como aresta de difracção. Apenas uma pequena parte da energia do sinal será difractada, mas possibilitará comunicações com um alcance de cerca de 100 km ou mais. Esta forma de difracção funciona nos dois sentidos, por isso comunicações através do que podem parecer montanhas intransponíveis podem ser possíveis, como sucede no exemplo abaixo.

(4274 bytes)

Onda terrestre

Onda terrestre é o resultado de uma forma especial de difracção que afecta em primeiro lugar os comprimentos de onda mais longos polarizados verticalmente. é mais notada nas bandas dos 80 e 160 metros, onde o alcance por este método pode chegar aos 200 km. A expressão onda terrestre é erradamente aplicada a qualquer forma de comunicação de curta distância, no entanto este mecanismo é próprio apenas de nossas bandas mais longas. As ondas de rádio são ligeiramente dobradas ao passar por uma aresta aguda, mas esse efeito é conseguido por arestas bastante arredondadas. Em onda média e longa, a curvatura da terra parece uma aresta arredondada. A parte inferior da frente de onda perde energia devido a correntes induzidas na terra causando um encurvamento da onda. Este fenómeno retarda a parte inferior da onda, fazendo com que a onda se dobre ligeiramente em direcção à terra. Esta “dobra” acompanha a curvatura da terra, permitindo que sinais de rádio de onda média e longa se propaguem para lá da linha de vista. Este modo de propagação é mais útil durante o dia em 1,8 e 3.6 MHz, quando a absorção causada pela camada D torna a propagação ionosfera mais difícil. Antenas verticais com um excelente sistema de terra oferecem os melhores resultados. As perdas são consideravelmente reduzidas sobre agua salgada e aumentam em solos secos e pedregosos.

(26711 bytes)

A atmosfera

A atmosfera terrestre é composta essencialmente por azoto (78%), oxigénio (21%) e árgon (1%), e por outros gases raros. O vapor de água pode chegar a 5% da atmosfera em determinadas condições. Esta proporção de gases é mantida até uma altitude de 80 km, altitude em que a mistura começa a mudar.
Nas altitudes mais elevadas predominam o hélio e o hidrogénio. A radiação solar actua directa e indirectamente em todos os níveis da atmosfera. Junto à superfície da Terra, o aquecimento solar controla todos os aspectos do clima, criando vento, chuva, e outros fenómenos. A radiação ultravioleta cria pequenas concentrações de Ozono entre 10 e 50 km. A maior parte da radiação UV é absorvida neste processo e não chega à Terra.
A altitudes ainda maiores, a radiação UV e X ioniza parcialmente o gases da atmosfera. Electrões libertados por átomos de gás recombinam-se com iões positivos para reconstituir átomos neutros, mas este processo demora algum tempo. No ambiente rarefeito das grandes altitudes, os átomos encontram-se distantes uns dos outros, e os gases podem manter-se ionizados durante horas. Em altitudes menores, a recombinação acontece rapidamente.
A atmosfera, que atinge mais de 600 km de altitude, está dividida em zonas. A tropo esfera situa-se entre a superfície da Terra e 10 km. Entre 10 e 50 km estão a estratosfera e a camada de ozono, zona onde o ozono atinge maiores concentrações. Cerca de 99% dos gases atmosféricos situam-se nestas duas camadas.
Entre os 50 até cerca de 600 km está a ionosfera, notável pelos seus efeitos na propagação das ondas de rádio. Nestas altitudes, o oxigénio e o azoto predominam a pressões muito baixas.
Os raios UV e X ionizam estes gases, criando uma região onde existem iões com uma relativa abundância. A ionosfera está dividida em três camadas distintas D, E e F. A magnetoesfera começa por volta dos 600 km e estende-se até 160 000 km. A composição dos gases atmosféricos vai gradualmente mudando do oxigénio, para hélio e finalmente hidrogénio nos níveis mais altos.

(28216 bytes)

A atmosfera

Propagação na Atmosfera

Ao contrário do que sucede com as ondas rádio no espaço, as ondas de rádio ao atravessarem a atmosfera terrestre sofrem muitas influências por parte desta. Todos já experimentámos problemas com ondas de rádio, causados por certas condições atmosféricas, estes problemas são causados pela falta de uniformidade da atmosfera terrestre.

Vários factores podem influenciar as condições de propagação, tanto positiva como negativamente. Alguns destes factores são a altitude, localização geográfica, e tempo (dia, noite, estação, ano).

Para compreendermos o fenómeno da propagação de ondas rádio, temos de conhecer a atmosfera terrestre. A atmosfera está dividida em três regiões separadas, ou camadas. São a troposfera, a estratosfera e a ionosfera. Estas camadas estão ilustradas na figura seguinte.

Camadas atmosféricas

Troposfera

Quase todos os fenómenos meteorológicos ocorrem na troposfera. A temperatura nesta região decresce rapidamente com a altitude. Formam-se nuvens, e pode existir muita turbulência devido a variações na temperatura, pressão e densidade. Estas condições podem ter um efeito pronunciado sobre a propagação de ondas de rádio, como será explicado mais adiante.

Estratosfera

A estratosfera situa-se entre a troposfera e a ionosfera. A temperatura nesta região é quase sempre constante, e existe muito pouco vapor de água. Como é uma camada relativamente calma e a com poucas variações de temperatura, esta camada quase não influencia a propagação de ondas rádio.

Ionosfera

Esta é a camada mais importante da atmosfera terrestre para as comunicações via rádio a longa distância. Como a existência da ionosfera depende directamente da radiação emitida pelo sol, o movimento da terra em relação ao sol, ou mudanças na actividade solar podem resultar em variações na ionosfera. Estas variações podem classificar-se em dois tipos:

1) as que ocorrem em ciclos mais ou menos regulares, e consequentemente, podem ser previstas com alguma precisão; e
2) as que são irregulares e que resultam de um comportamento anormal do sol, e portanto, não podem ser previstos. Tanto as variações regulares como irregulares têm efeitos importantes na propagação de ondas rádio. Como as variações irregulares não podem ser previstas, vamos concentrar-nos nas variações regulares.

Variações Regulares

As variações regulares podem ser divididas em quatro grandes classes: diárias, 27 dias, sazonais e de 11 anos. Vamos debruçar-nos sobre as variações diárias, já que têm uma grande influência no nosso passatempo. Variações diárias na ionosfera produzem quatro camadas de átomos de gases carregados electricamente chamados iões, que possibilitam que as ondas de rádio sejam propagadas a grandes distâncias à volta da terra. Os iões são produzidos por um processo chamado ionização.

Ionização

No processo de ionização, raios ultravioleta de alta energia vindos do sol periodicamente atingem a ionosfera, colidem com átomos de gás electricamente neutros, e removem um ou mais electrões de cada átomo. Quando estes electrões ficam livres, os átomos ficam carregados positivamente (iões positivos) e permanecem no espaço, juntamente com os electrões livres. Os electrões livres absorvem parte de energia ultravioleta que os libertou e formam uma camada ionizada.

Como a atmosfera é bombardeada com raios ultravioleta de diferentes frequências, várias camadas são formadas a diferentes altitudes. Os raios ultravioleta de frequência mais alta penetram mais fundo, produzindo camadas ionizadas na parte mais baixa da ionosfera. Reciprocamente, os raios ultravioleta de frequência mais baixa penetram menos, e formam camadas ionizadas nas regiões mais altas da ionosfera.

Um factor importante na determinação da densidade destas camadas ionizadas é o ângulo de elevação do sol. Como este ângulo varia com frequência, a altitude e espessura das camadas ionizadas varia, dependendo da hora do dia e da estação do ano. Outro factor importante na determinação da densidade da camada é conhecido como recombinação.

Recombinação

Recombinação é o processo oposto à ionização. Ocorre quando electrões livres e iões positivos e electrões livres colidem, combinam-se, resultando átomos electricamente neutros. Tal como a ionização, a recombinação depende da hora do dia. Entre o inicio da manhã e o fim da tarde, o ritmo de ionização excede o ritmo de recombinação. Durante este período as camadas ionizadas atingem a máxima densidade e exercem a maior influencia nas ondas rádio. No entanto, ao anoitecer, o ritmo de recombinação excedo o de ionização, causando a diminuição da densidade das camadas ionizadas. Ao longo da noite, a densidade continua a diminuir, atingindo o ponto mínimo memo antes do nascer do sol. É importante compreender que este processo de ionização e recombinação varia, dependendo da camada da ionosfera e da hora do dia. Os parágrafos seguintes explicam as quatro camadas (ou regiões) da ionosfera.

Camadas da Ionosfera

A ionosfera é composta por três camadas distintas, designadas por D, E e F sendo a D a que se encontra a mais baixa latitude, como se pode ver na figura seguinte. A camada F ainda está dividida em duas camadas F1 (mais baixa) e F2 (mais alta).

A presença ou ausência destas camadas na ionosfera e a sua altitude varia com a posição do Sol. Ao meio dia, a radiação na ionosfera é máxima, enquanto à noite é mínima. Quando a radiação desaparece a maior parte das partículas que estavam ionizadas recombinam-se. No espaço de tempo entre estas duas condições, a posição e número de camadas ionizadas da ionosfera mudam.

Como a posição do Sol varia diária, mensal e anualmente relativamente a um determinado ponto na Terra, o exacto número de camadas presentes é extremamente difícil de determinar. No entanto, as seguintes proposições sobre estas camadas podem ser feitas.

Camada D – Esta camada está presente entre 50 e 90 km acima da terra. A ionização na camada D é baixa porque sendo a camada mais baixa é a que menos radiação recebe. Para frequências muito baixas, a camada D e o solo actuam como uma gigantesca guia de ondas, tornando possível a comunicação através do uso de grandes antenas e emissores muito potentes. A camada D absorve as frequências médias e baixas, limitando o alcance diurno para cerca de 400 km. A partir do 3 MHz, a camada D começa a perder as características absorventes. Comunicação a longa distância é possível para frequências até 30 MHz. Ondas de rádio com frequências acima deste valor atravessam a camada D sendo no entanto atenuadas. Após o pôr do sol, a camada D desaparece por causa da rápida recombinação dos iões. Comunicações em baixa e média frequência tornam-se possíveis. É por esta razão que as estações em AM, onda média se comportam de forma diferente à noite. Sinais que atravessem a camada D não são absorvidos mas são propagados pelas camadas E e F.

Camada E – A camada E situa-se entre 90 e 140 km de altitude aproximadamente. A recombinação ionosferica é bastante rápida após o pôr do sol, causando a sua desaparição a meio da noite. A camada E permite comunicações a média distância para frequências situadas no intervalo entre baixa e muito alta. Para frequências acima de 150 MHz, as ondas de rádio atravessam a camada E.

Por vezes explosões solares causam a ionização nocturna desta camada sobre determinadas áreas. A propagação proporcionada por esta camada nestas condições chama-se “SPORADIC-E”. O alcance proporcionado através de SPORADIC-E por vezes excede os 160 km, mas o alcance não é tão grande como através da camada F.

Camada F – A camada F encontra-se entre 140 e 390 km de altitude. Durante o dia, a camada F separa-se em dias camadas, F1 e F2. Geralmente durante a noite, a camada F1 desaparece. A camada F produz o máximo de ionização após o meio dia, mas os efeitos do ciclo diário são menos pronunciados que nas camadas D e E. Os átomos da camada F permanecem ionizados por um longo período após o pôs do sol, e durante o pico de actividade solar, podem permanecer ionizados durante toda a noite.

Dado que a camada F é a mais alta da ionosfera, é também a que maior alcance permite. Para ondas horizontais, o alcance obtido num único salto (hop) pode ser de 5000 km. Para que os sinais se propaguem a distâncias maiores, são necessários vários saltos. A camada F é responsável pela maior parte das comunicações HF de longa distância. A frequência máxima que a camada F reflecte depende do ponto do ciclo solar em que estamos. No pico do ciclo solar, a camada F pode reflectir sinais até 100 MHz. Durante o sopé do ciclo solar a frequência máxima utilizável pode descer até 10 MHz.

Propagação Atmosférica

Na atmosfera, as ondas de rádio podem ser reflectidas, refractadas, e difractadas. Nos próximos capítulos discutiremos essas formas de propagação.

Refracção

Uma onda de rádio transmitida através de camadas ionizadas é sempre refractada, ou dobrada. Esta dobragem das ondas de rádio chama-se refracção. Repare na onda de rádio na figura abaixo, atravessando a atmosfera terrestre com um a velocidade constante. À medida que e a onda entra na camada ionizada mais densa, a parte superior da onda move-se mais depressa que a parte inferior. Este aumento abrupto de velocidade da parte superior da onda faz com que a onda seja desviada em direcção à Terra. Este desvio é sempre em direcção ao meio de propagação onde a velocidade de propagação seja menor.

A quantidade de refracção que uma onda de rádio sofre depende de três factores principais:

1. A densidade de ionização da camada

2. A frequência da onda de rádio

3. O ângulo de incidência na camada

Densidade da Camada

A figura acima mostra a relação entre as ondas de rádio e densidade de ionização. Cada camada ionizada possui uma região intermédia onde a ionização é mais densa, entre duas regiões onde a ionização é menor. Uma onda de rádio ao entrar numa região onde a ionização é progressivamente maior, a velocidade aumenta causando o seu desvio em direcção à Terra. No interior da região mais densamente ionizada, a refracção ocorre a um ritmo menor porque a densidade é uniforme. Quando a onda atinge a região superior menos ionizada, a velocidade da parte superior da onda diminui e a onda é desviada da Terra.

Frequência

Quanto menor for a frequência de uma onda de rádio, mais rapidamente essa onda é refractada por um determinado grau de ionização. A figura seguinte mostra três ondas de diferentes frequências entrando na ionosfera com o mesmo ângulo. Podemos ver que a onda de 5 MHz refractada de forma bastante vincada, enquanto a onda de 20 MHz é refractada de forma mais suave e retorna à Terra a uma distância maior do que a onda de 5 MHz. É de notar que a onda de 100 MHz é perdida no espaço. Para qualquer camada ionizada, existe uma frequência para a qual a energia transmitida verticalmente é perdida no espaço. A frequência imediatamente abaixo desta é a frequência critica. Neste exemplo, a onda de 100 MHz é maior que a frequência critica para esta camada ionizada.

A frequência critica de uma camada depende da sua densidade. Se uma onda passa através de uma determinada camada, pode ainda ser refractada por uma camada superior, se a frequência for inferior à frequência critica da camada superior.

Ângulo de Incidência e Ângulo Crítico

Quando uma onda de rádio encontra uma camada da ionosfera, essa onda é devolvida à Terra num ângulo (aproximadamente) igual ao ângulo de incidência. A figura seguinte mostra três ondas de rádio com a mesma frequência, atingindo uma camada com ângulos de incidência diferentes. O ângulo de incidência da onda A é muito próximo da vertical para ser refractado de volta à Terra. No entanto, a onda B é refractada de volta à Terra. O ângulo entre a onda B e a Terra é chamado ângulo crítico. Qualquer onda, numa dada frequência, que deixe a antena com um ângulo de incidência superior ao ângulo crítico será perdida no espaço. é por esta razão que onda A não foi refractada. A onda C parte da antena com o ângulo mais baixo que permite a sua refracção de volta à Terra. O ângulo crítico para ondas de rádio depende da densidade da camada ionizada e do comprimento de onda do sinal.

À medida que a frequência de uma onda de rádio aumenta, o ângulo crítico deve ser reduzido para que ocorra refracção. Reparar na figura abaixo que a onda de 2 MHz atinge a ionosfera no ângulo critico e é refractada. Apesar de a onda de 5 MHz (a tracejado) atingir a ionosfera num ângulo menor, atravessa a camada e é perdida no espaço. Ao baixar o ângulo de incidência até ao ângulo critico, a onda é refractada de volta à Terra.

Zona e Distância de Silêncio (SKIP)

Ao emitirmos uma onda de rádio, esta vai propagar-se de duas formas, por onda terrestre e por onda ionosferica. De posse deste conceito podemos discutir o limite exterior da zona de silêncio (skip distance) e a zona de silêncio (skip zone).

Limite Exterior da Zona de Silêncio (Skip Distance)

A Limite Exterior da Zona de Silêncio (Skip Distance) é a distância desde o transmissor e o ponto onde a onda ionosferica atinge a terra pela primeira vez. Esta distância depende da frequência e ângulo de incidência, e do grau de ionização.

Zona de Silêncio

A zona de silêncio, é a zona compreendida entre o ponto onde a onda terrestre é demasiado fraca para ser recebida e o ponto onde a onda ionosferica volta à terra pela primeira vez. O limite externo da zona de silêncio varia consideravelmente, dependendo da frequência, a hora, a estação do ano, a actividade solar, e direcção de transmissão.

A frequências muito baixas, baixas, e médias, a zona de silêncio nunca está presente. No entanto em HF, a zona de silêncio está sempre presente.

À medida que a frequência aumenta, a zona de silêncio aumenta até um ponto em que o limite externo da zona de silêncio pode estar a milhares de quilómetros. Para frequências acima de um determinado valor deixa mesmo de haver propagação através da zona F. Por vezes a onda ionosferica retorna à terra dentro da zona coberta pela onda terrestre. Neste caso, podemos sofrer um desvanecimento (QSB) bastante grande, causado pela diferença de fase, entre as duas ondas (a onda ionosferica percorre um caminho mais longo).

Reflexão

A reflexão ocorre quando as ondas de rádio são reflectidas por uma superfície plana. Basicamente podemos considerar dois tipos de reflexão: terrestre e ionosferica. A figura seguinte mostra duas ondas reflectidas pela superfície terrestre. As duas ondas são reflectidas de forma semelhante à reflexão da luz num espelho. É de notar que após a reflexão as duas ondas estão desfasadas cerca de 180º.

O grau de desfasamento que ocorre não é constante. Varia, dependendo da polarização da onda e do ângulo de incidência na superfície reflectora. Como a reflexão não é constante, ocorre desvanecimento (fading). Em condições normais, ondas de rádio reflectidas em fase produzem sinais mais fortes, se forem reflectidas desfasadas produzem um sinal mais fraco ou variável.

A reflexão ionosferica acontece quando certas ondas de rádio atingem uma fina e altamente ionizada camada da ionosfera. Apesar de na realidade as ondas serem refractadas, algumas delas retornam à terra de forma tão rápida que parece tratar-se de reflexão. Para que a reflexão ionosferica aconteça, a espessura da camada ionizada não pode ser maior que um comprimento de onda. Como as camadas ionizadas geralmente têm vários km de espessura, a reflexão ionsférica acontece com ondas longas.

Difracção

Difracção é a capacidade de as ondas contornarem obstáculos e “dobrarem esquinas”. Na figura seguinte vemos que a difracção produz uma mudança de direcção da onda de rádio fazendo com que esta contorne as arestas do obstáculo. Se o comprimento de onda for maior que o diâmetro do obstáculo esta contorna facilmente o mesmo. No entanto à medida que a o comprimento de onda decresce, a atenuação aumenta, até que para VHF surge uma zona de sombra. A zona de sombra é uma área oposta ao obstáculo na direcção do emissor.

A difracção pode aumentar o alcance para além da linha do horizonte. Recorrendo a alta potência e frequências baixas, as ondas de rádio acompanham a curvatura terrestre por difracção.

Efeitos da atmosfera na propagação

Como já foi dito antes, mudanças na ionosfera podem produzir mudanças dramáticas na propagação de ondas rádio. Em alguns casos, o alcance é estendido de forma extraordinária. Outras vezes, o alcance é reduzido ou nulo. Os parágrafos seguintes tentam explicar os problemas causados pelo desvanecimento e desvanecimento selectivo.

Desvanecimento (Fading)

Um dos problemas mais frustrantes na recepção de sinais rádio é a variação na intensidade do sinal, fenómeno conhecido como fading (ou em português desvanecimento). São várias as condições que produzem o fading. Quando uma onda rádio é refractada pela ionosfera ou reflectida pela superfície terrestre, podem ocorrer mudanças aleatórias na polarização da onda. Antenas montadas horizontal ou verticalmente, foram concebidas para receber respectivamente ondas polarizadas horizontal ou verticalmente. Por isso, mudanças na polarização causam mudanças na intensidade do sinal recebido.

A absorção de rf na ionosfera também causa fading. A maior parte dessa absorção ocorre na parte inferior da ionosfera onde a densidade de ionização é mais elevada. Ao atravessar a ionosfera, as ondas de rádio perdem alguma da sua energia para os electrões livres e iões aí existentes. Como o grau de absorção varia em função da densidade das camadas ionizadas, não existe nenhuma relação definida entre a distância e a intensidade do sinal na propagação ionosferica. O fading causado por absorção estende-se por um periodo mais longo que para outros tipos de fading, já que a absorção ocorre lentamente. Sob certas condições, a absorção é tão elevada que comunicações para lá da linha de vista se tornam muito difíceis.

Embora o fading causado por absorção seja o tipo de fading com mais grave, o fading na propagação ionosferica resulta sobretudo da propagação por percursos múltiplos ou em inglês multipath.

Multipath Fading

MULTIPATH é um termo usado para descrever os múltiplos percursos que uma onda de rádio pode percorrer entre o emissor e o receptor. Estes percursos de propagação incluem a onda terrestre, refracção ionosferica, reirradiação pelas camadas ionosfericas, reflexão terrestre ou por várias camadas ionosferica, e por aí fora. A figura abaixo mostra alguns dos percursos que o sinal rádio pode percorrer entre dois pontos. Um percurso, XYZ, é a onda terrestre. Outro percurso, XFZ, refracta a onda na camada F e passa-a para o receptor no ponto Z. No ponto Z, o sinal recebido é a combinação entre a onda terrestre e a onda ionosferica. Estes dois sinais tendo percorrido caminhos diferentes chegam ao ponto Z em tempos diferentes. Por isso a ondas que chegam podem ou não estar em fase. Uma situação semelhante acontece no ponto A. Outro percurso, XFZFA, resulta de um ângulo de incidência elevado e duas refracções na camada F. Uma onda que percorra esse caminho e outra que percorra XEA podem ou não atingir o ponto A em fase. Ondas de rádio que recebidas em fase reforçam-se e produzem um sinal mais forte, enquanto que as recebidas fora de fase produzem um sinal fraco ou desvanecente (fading). Pequenas alterações no percurso podem alterar a relação de fase entre os dois sinais, causando fading periódico.

Fading Selectivo

O fading resultante da propagação através de percursos múltiplos (multipath) varia com a frequência dado que cada frequência atinge o receptor através de um percurso diferente. Se um conjunto de frequências diferentes for transmitida simultaneamente, o fading em cada uma será diferente. A esta variação chama-se fading selectivo. Quando isto acontece, as frequências do sinal transmitido não mantêm o faseamento original e as amplitudes relativas. Este tipo de fading produz uma séria distorção do sinal.

A tabela seguinte tenta resumir as características das diversas camadas da ionosfera.

Camada D : reflecte ondas vlf para comunicações a longa distância; refracta lf e mf para comunicações a curta distância; desaparece à noite.

Camada E: Depende do ângulo do sol: refracta hf durante o dia até 20 MHz para distâncias até 3400 km; muito reduzida à noite

Camada F: estrutura e densidade dependentes da hora do dia e ângulo do sol: consiste numa camada durante a noite e separa-se em duas durante o dia.

Camada F1: a densidade depende do ângulo do sol; o seu maior efeito é a absorção de ondas hf que passam para a camada F2.

Camada F2: permite comunicações hf a longa distância; muito variável; altitude e densidade variam com a hora do dia, estação, e actividade solar.

Outros fenómenos que afectam as comunicações

Embora as variações diárias na ionosfera tenham o efeito mais pronunciado nas comunicações, outros fenómenos também afectam as comunicações, tanto positiva como negativamente. Estes fenómenos serão brevemente discutidos nos parágrafos seguintes.

Variações sazonais na ionosfera

As variações sazonais resultam do movimento de translação da terra em torno do sol, porque a posição relativa do sol muda com as estações do ano. As variações sazonais das camadas D, E, e F1 estão directamente relacionadas com a inclinação dos raios solares, sendo a ionização máxima destas camadas durante o Verão. Com a camada F2 sucede o oposto. A sua ionização é máxima durante o Inverno. Por isso as frequências propagadas pela camada F2 são mais altas no Inverno que no Verão.

Manchas solares

Uma das mais notáveis ocorrências na superfície do Sol é o aparecimento e desaparecimento de manchas escuras e irregulares conhecidas como manchas solares. Crê-se que as manchas solares são causadas por violentas erupções solares e caracterizam-se por causarem fortes campos magnéticos. Estas manchas causam variações no grau de ionização da ionosfera. As manchas solares tendem a aparecer em dois ciclos, cada 27 dias e cada 11 anos.

Ciclo de 27 dias

O número de manchas existentes em cada momento muda constantemente já desaparecem umas e aparecem outras. Como o sol possuí movimento de rotação, estas manchas são visíveis a intervalos de 27 dias, que é aproximadamente o tempo que o Sol demora a rodar em torno do seu eixo. Durante este período, as flutuações da ionização variam mais pronunciadas na camada F2.

Ciclo de Onze anos

As manchas solares podem aparecer em qualquer altura, e o tempo de vida das mesmas é variável. O ciclo de onze anos é um ciclo regular de actividade solar com um mínimo e um máximo de actividade que ocorrem a cada onze anos. Durante o período de máxima actividade, a densidade da ionização de todas as camadas aumenta. Por causa disto, a absorção da camada D aumenta e as frequências criticas para a as camadas E, F1 e F2 é maior. Nesta altura, as frequências mais altas devem ser usadas para comunicações a longa distância.

VARIAÇÕES IRREGULARES

Variações irregulares, são mudanças imprevisíveis na ionosfera que podem afectar profundamente a nossa capacidade de comunicar via rádio. As variações mais comuns são: E esporádica. perturbações ionosfericas e tempestades ionosfericas.

E Esporádica

Por vezes formam-se na camada E manchas irregulares com uma ionização invulgarmente alta, a este fenómeno chama-se E esporádica (sporadic E). A causa exacta para este fenómeno não é conhecida e a sua ocorrência não pode ser prevista. No entanto, este fenómeno varia com a latitude. Nas latitudes mais a norte parece estar relacionada com o fenómeno aurora boreal.

Esta camada pode ser tão fina que as ondas de rádio a penetram facilmente e são refractadas pelas camadas superiores, ou pode ser fortemente ionizada e estender-se por centenas de quilómetros. Estas condições podem ser benéficas ou prejudiciais para a propagação de ondas rádio. Por um lado pode eliminar completamente o uso das camadas superiores da ionosfera, ou causar absorção adicional do sinal rádio nalgumas frequências. Pode também causar problemas por propagação por caminhos múltiplos. Por outro lado, a frequência crítica desta camada poder o dobro da frequência critica das camadas normais. Este facto pode permitir comunicações a longa distância a frequências anormalmente elevadas. Pode também permitir comunicações para locais que normalmente estariam na zona de silêncio. Esta camada pode surgir e desaparecer de forma rápida durante o dia ou a noite.

Perturbações Ionosfericas Repentinas

Este tipo de perturbações podem acontecer sem aviso e a sua duração varia entre alguns minutos e algumas horas. Quando estas perturbações acontecem, as comunicações HF a longa distância tornam-se praticamente impossíveis. Por vezes parece que o receptor avariou… Este fenómeno é causado por uma erupção solar que produz uma quantidade anormalmente alta de radiação ultra violeta que não é absorvida pelas camadas F1, F2 ou E. Em vez disso, causa o aumento da densidade de ionização da camada D. Como resultado, frequências acima de 1 ou 2 MHz não conseguem penetrar a camada D e são completamente absorvidas.

Tempestades Ionosfericas

Estas tempestades são causadas por perturbações no campo magnético da terra. Estão associadas a erupções solares e a o ciclo de 27 dias, ou seja com o movimento de rotação do Sol. Os efeitos das tempestades ionosfericas são uma ionosfera turbulenta e uma propagação ionosferica errática. Estas tempestades afectam sobretudo a camada F2, reduzindo a densidade de ionização e tornando as frequências criticas mais baixas que o normal. Os efeitos nas comunicações é que o leque de frequências utilizáveis é menor que o normal e que é só é possível utilizar frequências baixas.

Meteorologia

O vento, a temperatura do ar, e humidade podem combinar-se para aumentar ou diminuir o alcance das comunicações rádio. A precipitação influência sobretudo as frequências mais altas. As frequências de HF e abaixo não sofrem muito com isso.

CHUVA.- A atenuação causada pelas gotas de chuva é superior à causada por qualquer outra forma de precipitação. Pode ser causada por absorção, onde a gota de chuva actua como um mau dieléctrico, absorve a energia da onda rádio e transforma essa energia em calor; ou por dispersão (ver figª seguinte). A atenuação causada pela chuva deve-se mais à dispersão do que à absorção para frequências acima de 100 MHz. Para frequências acima de 6 GHz, a dispersão ainda é maior.

NEVOEIRO.— A atenuação causada pelo nevoeiro depende da quantidade de água por unidade de volume e pelo tamanho das gotículas. A atenuação causada pelo nevoeiro em frequências abaixo dos 2 GHz é desprezível, mas acima desta frequência a atenuação por absorção pode ser elevada.

NEVE.— Dado que a neve possui cerca de 1/8 da densidade da chuva, e por causa da forma irregular dos flocos, as perdas por dispersão e absorção são difíceis de calcular, sendo no entanto menores do que as causadas pela chuva.

GRANIZO— A atenuação causada pelo granizo é determinada pelo tamanho das pedras bem como pela sua densidade. A atenuação A atenuação por dispersão causada pelo granizo é menor que a causada pele chuva.

INVERSÃO DE TEMPERATURA

Quando se formam camadas de ar quente por cima de camadas de ar frio, configura-se uma condição conhecida como inversão de temperatura. Este fenómeno causa a formação de canais ou condutas de ar frio, entre a terra e uma camada de ar quente ou entre duas camadas de ar quente. Se uma antena emissora estiver dentro desse canal, ou se uma onda rádio aí entrar com um ângulo de incidência muito baixo, as emissões de VHF e UHF podem propagadas para além da linha do horizonte. Estas longas distancias são possíveis devido às diferentes densidades e propriedades refractivas do ar quente e frio. A mudança brusca de densidade quando a onda rádio entra no ar quente acima da conduta faz com que a onda seja refractada de volta à terra. Quando a onda atinge a terra ou uma camada de ar quente abaixo da conduta sucede o oposto e a onda prossegue ao longo da conduta. Um exemplo pode ser visto na figura abaixo.

PERDAS DE TRANSMISSÃO

Todas as ondas de rádio propagadas através da ionosfera sofrem perdas de energia antes de chegarem ao receptor. Como foi dito anteriormente, absorção e os efeitos da parte baixa da atmosfera causam a maior parte da atenuação. Existem ainda dois outros tipos de perdas que também afectam a propagação. O efeito combinado da perda por reflexão na terra, e perdas no espaço livre, produzem a maior parte da atenuação ionosferica.

PERDA POR REFLEXÃO NA TERRA

Quando a propagação é feita através de refracção em múltiplas etapas, energia rf é perdida cada vez que é reflectida pela superfície terrestre. A quantidade de energia perdida depende da frequência, do ângulo de incidência, da irregularidade do solo, e da condutividade do solo no ponto de reflexão.

PERDAS NO ESPAÇO LIVRE

Normalmente, a maior parte da energia e perdida por causa do espalhamento da frente de onda. Com o aumento da distância, a área da frente de onda aumenta, tal como o feixe de luz de uma lanterna. Isto significa que a quantidade de energia contida numa área da frente de onda diminui em função da distância. Quando a energia chega à antena receptora, a frente de onda está tão espalhada que a antena atinge apenas uma pequena porção da frente de onda. A figura seguinte mostra este efeito.

SELECÇÃO DA FREQUÊNCIA A USAR

A selecção da frequência correcta para determinadas condições exige um bom conhecimento dos mecanismos de propagação. Para o sucesso das comunicações rádio entre dois pontos a determinada hora do dia, existem uma frequência máxima, mínima e óptima que podem ser usadas.

FREQUÊNCIA MÁXIMA UTILIZÁVEL (MUF)

Quanto mais alta a frequência de uma onda rádio, menor o grau de refracção causada pela ionosfera. Por isso, para um determinado ângulo de incidência e hora do dia, existe uma frequência máxima que pode ser usada na comunicação entre dois pontos. Esta frequência é conhecida como FREQUÊNCIA MÁXIMA UTILIZÁVEL (MUF). Ondas rádio com frequências acima da muf são refractadas mais lentamente e retornam à terra num ponto para lá do local pretendido ou perdem-se no espaço. Variações na ionosfera podem baixar ou subir a muf prevista em qualquer altura. Isto é especialmente verdade na camada F2.

FREQUÊNCIA MÍNIMA UTILIZÁVEL (LUF)

Tal como existe a muf também existe uma frequência mínima que pode ser usada, conhecida como FREQUÊNCIA MÍNIMA UTILIZÁVEL (LUF). Ao diminuir a frequência o grau de refracção aumenta. Então uma onda cuja frequência seja inferior à luf volta à terra num ponto aquém do desejado, como se pode ver na figura seguinte.

Ao diminuir a frequência, a absorção da energia rf aumenta. Uma onda cuja frequência seja muito baixa, é absorvida oa ponto de ser muito débil para ser recebida. O ruído atmosférico é também maior para frequências baixas. A combinação destes dois efeitos pode resultar numa relação sinal ruído inaceitável. Por isso na determinação da luf há que ter em consideração estes factores.

FREQUÊNCIA DE TRABALHO OPTIMA (FOT)

A melhor frequência de operação é a que permite comunicar com menos problemas. Deve ser suficientemente alta para evitar problemas de multipath fading, absorção, e ruído encontrados nas frequências mais baixas; mas não tão alta que possa ser afectada por mudanças bruscas na ionosfera. Uma frequência que corresponda a estas exigências é a FREQUÊNCIA DE TRABALHO OPTIMA (FOT). Fot é a abreviatura de “frequence optimum de travail”. A fot é cerca de 85% da muf, mas esta percentagem varia e pode ser bastante menos que 85%.

Após a leitura deste capitulo poderá compreender mais facilmente os mecanismos da propagação, bem como interpretar as previsões de propagação dos boletins de propagação.