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Produção e Propagação de Ondas Eletromagnéticas

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Um Canal, em radio comunicações, é o espaço físico exis-

tente entre as antenas transmissora e receptora.


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Quando uma potência propaga livremente no espaço, diz-

se existir uma irradiação* e ocorre na forma de ondas ele-

tromagnéticas.

IRRADIAÇÃO - Ação de irradiar, difusão ou emissão de raios luminosos em todas as di-reções . Emissão de energia radiante (como o calor). Transmissão de programas de rádio.Dicionário Michaelis.

RADIAÇÃO - Ato ou efeito de radiar. Transmissão de energia através do espaço, em li-nha reta, à velocidade de até 300.000 km/s (por exemplo, de luz, de calor, de rádio, ou decorpúsculos livres sempre que não se lhe oponham obstáculos). Dicionário Michaelis.


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Espaço livre: é o espaço que não interfere com a irradia-

ção normal e a propagação das ondas de rádio ou ondas

eletromagnéticas.

É uma concepção teórica.


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A teoria da irradiação eletromagnética foi proposta pelo físi-

co inglês James Clearck Maxwell em 1857 e concluída em

1873.

Consiste em uma explanação de fundo matemático do

comportamento das ondas eletromagnéticas.


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Ondas eletromagnéticas são oscilações perpendiculares à

direção de propagação, que propagam à velocidade da luz,

vc = c = 3 x 108 m/s.

É composta por dois campos, elétrico e magnético, perpen-

diculares entre sí e a direção de propagação.


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Fonte isotrópica é uma fonte que irradia uniformemente

em todas as direções. É, também, uma concepção teórica.

Frente de ondas é o plano de união de todos os pontos de

mesma fase, logo de mesma intensidade.


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Frente de ondas Esférica


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Frente de ondas Plana


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Densidade de potência - Ρ* - é a potência irradiada por

unidade de área. A área a ser considerada é a de uma esfe-

ra.

Ρ =Pt

rW m

4 22

π/

P – Densidade de potência

Pt – Potência transmitida

r – distância do ponto até a fonte

Ρ corresponde a letra ρ maiúscula.


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Pela definição de densidade de potência, podemos concluir

que no espaço – na atmosfera –, a densidade de potência

diminui com o aumento da distância até a fonte segundo

uma lei quadrática.


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As intensidades dos campos elétrico e magnético são fato-

res importantes no estudo das ondas eletromagnéticas.

Eles são definidos por:

ΕΕ - intensidade de campo elétrico [ V / m ]

ΗΗ - intensidade de campo magnético [ A / m ]


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Impedância característica - ΖΖ

Expressa a dificuldade encontrada pela onda eletromagné-

tica em propagar em um determinado meio.

Ζ Ω=µε

µ - permeabilidade do meio

ε - permissividade do meio

Z – impedância característica


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Impedância característica do ΖΖar

Ζar = 120 π = 377 Ω

µar = 4 π x 10-7 H/m

εar = 1 / ( 36 π x 109 ) F/m


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Intensidade de Campo

Por meio da equação da intensidade de campo verifica-se

que sua variação ocorre inversamente proporcional à dis-

tância do ponto à fonte.

ε = 30 Pr

V mT /ε – intensidade de campo elétrico

PT – Potência transmitida

r – distância do ponto até a fonte


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Polarização

Refere-se à orientação física da onda eletromagnética irra-

diada no espaço.

A classificação da polarização de uma onda eletromagnéti-

ca é realizada segundo a direção do campo elétrico em

relação à superfície de propagação.


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Polarização linear

Uma onda é considerada linearmente polarizada se todas

as ondas que chegam a um mesmo ponto apresentam o

mesmo alinhamento ou fase no espaço.


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Tipos de polarização

Vertical - o campo elétrico está perpendicular à superfície

de propagação. (Antena vertical – Transmissora de AM)

Horizontal - o campo elétrico está paralelo à superfície de

propagação. (Antena horizontal – Receptora de TV)


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Tipos de polarização

Circular - o campo elétrico gira continuamente em relação

à superfície de propagação. (Antena circular – Transmissora de FM)

Elíptica - o campo elétrico gira continuamente de forma a

uma saca rolha em relação à superfície de propagação.

(Antena helicoidal – Transmissora em VHF e UHF)


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Transmissão e Recepção

Se uma corrente de radiofreqüência circula em um con-

dutor, parte da energia será transformada em onda ele-

tromagnética.

Se um condutor é colocado no campo de uma onda ele-

tromagnética, uma corrente induzida resultará neste con-

dutor.


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Transmissão e Recepção

O processo de recepção é o inverso do processo de trans-

missão, logo as antenas transmissora e receptora são in-

tercambiáveis, a parte da potência manipulada.

Princípio da Reciprocidade.


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Absorção e Atenuação

No espaço livre a absorção das ondas eletromagnéticas

não ocorrem porque nada existe para absorvê-las. ( ααP = 0 )

Na atmosfera parte da energia das ondas eletromagnéticas

será transferida aos átomos e moléculas, provocando vibra-

ções e a atmosfera será aquecida de um valor infinitesimal,

mas significante.


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A atenuação da onda eletromagnética, expressa em deci-

béis, é dada pela expressão:

[ ]α αP E

r

rdB= =

20 2

1

logr2 e r1 - distâncias até a fonte.

r2 > r1


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Efeitos do Meio Ambiente

1 – Reflexão

2 – Refração

3 – Interferência

4 – Difração


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Reflexão

Apresenta similaridade com a reflexão da luz por um espe-

lho.

O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência.

θθ i = θθr


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Reflexão

O raio incidente, o raio refletido e a normal ao ponto de in-

cidência estão no mesmo plano.


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Coeficiente de Reflexão - ρρ

É a relação entre a intensidade de campo elétrico da onda

refletida e a intensidade de campo elétrico da onda inci-

dente.

ρεε

= r

i

εr ≠ εi ocorre absorção de energia ou sua transmissão.


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A transmissão da onda é o resultado de correntes

estabelecidas no condutor imperfeito, permitindo a

propagação através dele, acompanhado por refração.

É importante que o vetor campo elétrico seja perpendicular

à superfície condutora, senão correntes seriam

estabelecidas na superfície, conseqüentemente não haveria

reflexões.


WJR 30

Sendo a superfície condutora áspera, as reflexões ocorrem

normalmente, considerando que o ângulo de incidência

será uma transgressão do Critério de Rayleigh.


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Refração

A refração ocorre quando a onda eletromagnética passa de

um meio de propagação para outro meio, apresentando

uma diferença de densidade.

Conseqüências: a frente de ondas adquire uma nova

direção; a velocidade de propagação final será diferente da

inicial.


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Refração


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Refração

A relação entre os ângulos de incidência θi e o ângulo de

refração θr poderá ser calculada:

QPQ PQ Pi r' ' '= =θ θ e

sensen

''

''

''

θθ

r

i

PPPQ

QQPQ

PPQQ

vbva

= = = Lei de Snell


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Refração

Lei de Snell

sensen

θθ µ

r

i

kakb

= = 1k - constante dielétrica do meio

v - velocidade de propagação no meio

µµ - índice de refração


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Refração

Se a variação de densidade é gradual e linear, os raios

serão curvados, distanciando da linha normal ao contrário

de uma inclinação abrupta.

A densidade atmosférica varia com a altura, ligeiramente,

mas linearmente. Como conseqüência temos que o

horizonte das ondas de rádio será ampliado.


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Refração


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Interferência

Ela ocorre quando duas ou mais ondas deixam uma fonte e

propagam por trajetórias diferentes, chegando a um mesmo

ponto receptor.

Ocorre freqüentemente em freqüências altas, na propaga-

ção ionosférica, em microondas e por ondas espaciais.


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Interferência

Duas situações são verificadas:

• se a superfície é um condutor imperfeito, ocorrerá um

cancelamento parcial ou reforço parcial;

• se a superfície é um condutor perfeito ocorrerá um cance-

lamento total ou reforço total.


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Interferência

A sucessão de pontos consistindo de alternados cance-

lamentos e reforços estabelece um modelo de interferência.


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Modelo de Interferência


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Interferência

As pétalas da flor do modelo de interferência são chama-

das de lóbulos e correspondem aos pontos de reforços; os

nulos entre os lóbulos correspondem aos pontos de can-

celamento.


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Interferência

Para freqüências inferiores à faixa de VHF a interferência

não é significante devido ao grande comprimento de onda

(λ) de tais sinais.

λ = =vcf

cf

m


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Interferência

Para freqüências na faixa de UHF e acima a interferência

aparece ampliada, sendo de grande importância em sis-

temas de radares e de microondas.

O ângulo que o primeiro lóbulos faz com a superfície da ter-

ra é de grande importância em radares de faixa larga.


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Difração

Propriedade repetida da óptica, concernente com o com-

portamento da onda eletromagnética afetada pela presença

de uma pequena fenda em um plano condutor ou de forma

a delimitar um obstáculo.


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Princípio de Huygens

Todo ponto de uma frente de ondas esférica pode ser con-

siderado como uma fonte de ondas, que irradia ondas apa-

rentes mais distantes.

Conseqüência: o campo total de sucessivos pontos afas-

tados da fonte é igual ao vetor soma dessas pequenas on-

das secundárias.


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Princípio de Huygens


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Difração


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Difração


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Difração

Em uma onda plana o cancelamento das pequenas ondas

secundárias ocorre em todas as direções diferente da dire-

ção original da frente de ondas.

Desta forma ela continua como uma frente de ondas plana.


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Difração


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Difração

A difração é importante em duas situações práticas:

Na propagação do sinal por onda espacial, por ser rece-

bida entre edifícios altos, montanhas e outros obstáculos

semelhantes;

No desenho de antenas de microondas, em parte, na

prevenção do estreito feixe de irradiação.


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Propagação de Ondas

A onda eletromagnética propaga em trajetória que não de-

pende apenas de suas propriedades, também são ditadas

pelo meio de propagação.


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Freqüências abaixo de HF propagam ao longo da curvatura

terrestre, por meio de uma combinação de difração e de um

efeito igual à propagação nos guias de ondas.


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As ondas terrestres permitem propagação ao redor da cur-

vatura da terra, sendo um dos dois originais meios de pro-

pagação além do horizonte.


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Freqüências acima de HF propagam em linha reta por meio

de ondas espaciais ou ondas tropicais, pois utilizam a tro-

posfera.


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As ondas na faixa de HF e freqüências logo acima ou abai-

xo são refletidas pelas camadas ionosféricas da atmosfera

e são chamadas de ondas celestes.

Tais sinais são irradiados em direção ao céu e retornam

após reflexões, atingindo a superfície da terra além do hori-

zonte.


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Outros modos de propagação além do horizonte são:

• A difusão troposférica

• A comunicação por satélites geoestacionários.


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Ondas Terrestres ou Superficiais

Propagam ao longo da superfície da terra e devem ser ver-

ticalmente polarizadas para evitar o curto-circuito do cam-

po elétrico.


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Uma onda induz corrente sobre a superfície na qual ela

propaga e, desta forma, parte da energia será perdida; ou-

tra forma de perda é devido a difração com a inclinação

gradual da frente de ondas.


WJR 61


Uma determinada transmissão, para um máximo alcance,

depende de sua freqüência, potência, sendo que na faixa

de VLF um alcance insuficiente pode ser melhorado pelo

aumento da potência.


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A redução do sinal é causada por um grande número de va-

riáveis tais como salinidade, resistência da terra ou água

sobre a qual a onda propaga, vapor d’água contido no ar,

sendo possível apenas elaborar uma estimativa do alcance.


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A Ionosfera

Em 1925, Sir Edward Appleton com trabalhos experimentais

mostrou que a atmosfera recebe energia oriunda do sol

para que suas moléculas dissociarem em ions, permane-

cendo ionizadas por longos períodos. Mostrou também a

existência de várias camadas ionizadas, em diferentes altu-

ras, que sob certas condições refletem à terra as ondas de

alta freqüência.


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A Ionosfera

Na atmosfera existem grandes variações em suas pro-

priedades físicas, tais como temperatura, densidade e com-

posição.

Os mais importantes agentes ionizadores são: a radiação

ultravioleta, radiações alfa, beta e lambda provindas do sol,

bem como os raios cósmicos e meteoros.


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A Ionosfera

O resultado final é uma faixa de quadro camadas principais,

D, E, F1 e F2, em ordem ascendente, sendo que as duas úl-

timas combinam-se à noite para formar a camada única F.


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A Ionosfera


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A Ionosfera

A camada D é a mais próxima, existindo a uma altura mé-

dia de 70 km, espessura média de 10 km, desaparecendo

durante a noite.

É a camada menos importante do ponto de vista da propa-

gação de HF, refletindo algumas ondas de VLF e LF, ab-

sorvendo as ondas de MF e HF.


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A Ionosfera

A camada E é a seguinte, existindo a cerca de 100 km, es-

pessura média de 25 km, desaparecendo à noite, sendo a

razão para seu desaparecimento a desionização da cama-

da, devido a ausência do sol.

Sua principal função é uma pequena ajuda na propagação

de ondas superficiais em MF e a reflexão de algumas

ondas de HF durante o dia.


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A Ionosfera

A camada ES de alta densidade de ionização as vezes as-

sume a forma de camada E. Chamada de camada E espo-

rádica, quando ocorre persiste durante à noite.

Não apresenta importância na propagação a longa dis-

tância, mas permite inesperadas recepções à noite.

Suas causas não são bem conhecidas.


WJR 70

A Ionosfera

A camada F1 existe a uma altura de 180 km durante o dia e

combina com a camada F2 à noite. Sua espessura durante

o dia é de cerca de 20 km.

O efeito principal é de promover maior absorção para as

ondas de HF, sendo seu efeito dobrado.


WJR 71

A Ionosfera

A camada F2 é em alto grau o meio mais importante de

reflexão para ondas de rádio de rádio freqüência.

A espessura pode ser superior a 200 km e sua altura varia

na faixa de 250 a 400 km durante o dia, descendo a noite

onde combina com a camada F1. Sua densidade iônica va-

ria com a hora, temperatura média ambiente e as manchas

do ciclo solar.


WJR 72

A Ionosfera

A camada F persiste à noite por uma combinação de ra-

zões: ela é a mais alta e de maior ionização; suas molécu-

las ionizadas apresentam baixa velocidade de colisão de-

terminando meios para que a ionização persista por um

tempo maior.


WJR 73

A Ionosfera

A razão para a melhoria da recepção em HF à noite é a

combinação das camadas F1 e F2 em uma camada F e o

virtual desaparecimento das outras camadas que tinham

absorvido parte da onda durante o dia.


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A Ionosfera - Mecanismo de Reflexão

O fato real da reflexão nas camadas ionosféricas envolve o

efeito da refração.


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A Ionosfera

Se a velocidade de variação do índice de refração por uni-

dade de altura é suficiente, o raio incidente eventualmente

tornará paralelo à camada, inclinando para baixo e, final-

mente, emerge da camada ionizada a um ângulo igual ao

de incidência.


WJR 76

Termos e Definições

Altura Virtual - é a distância medida da superfície da terra

até o ponto de reflexão especular na camada ionosférica.

Se a altura virtual de uma camada é conhecida, pode-se

calcular facilmente o ângulo de incidência requerido para a

onda retornar à terra em um ponto pré-selecionado.


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Freqüência Crítica - para uma dada camada, é a mais alta

freqüência que retorna à terra por aquela camada após re-

flexão direta sobre ela.

Isso implica que uma freqüência máxima deve existir, acima

da qual os valores vão em linha reta através da ionosfera e

se perdem no espaço. (Comunicação via satélite)


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Máxima Freqüência Utilizável - muf - é a mais alta fre-

qüência que pode ser utilizada para comunicações por onda

celeste entre dois pontos pré-selecionados na superfície da

terra.

A muf pode variar tremendamente após atividades solares

extraordinárias, podendo assumir valores tão alto quanto 50

MHz.


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Distância de Salto - Skip Distance - é a menor distância

para uma transmissão, medida ao longo da superfície da

terra na qual uma onda celeste de freqüência fixa, maior do

que a fc retorna à superfície da terra.


WJR 80



WJR 81


O trajeto da transmissão é limitado pela distância de salto

por um lado e a curvatura da terra a um outro.

O maior dos saltos simples é obtido quando o raio é trans-

mitido tangencialmente à superfície da terra.


WJR 82



WJR 83


No cálculo de uma trajetória, tendo como referência a altura

constante da camada F2, se a trajetória encontra no cami-

nho a terminação assegura-se que a área receptora será

errada, porque a camada F2 sobre o alvo está mais baixa

do que a camada F2 sobre o transmissor.


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WJR 85


Fadding - desvanecimento - é a flutuação na intensidade

do sinal de um receptor; ele pode ser rápido ou demorado,

geral ou seletivo em freqüência, mas sempre é devido a in-

terferência entre duas ondas que deixam a mesma fonte

mas alcançam o destino por trajetórias diferentes.


WJR 86


O desvanecimento ocorrerá por interferência entre os raios

menor e maior de uma onda celeste; entre as ondas celes-

tes por diferença de lúpulos ou entre a onda terrestre e uma

onda celeste, principalmente na parte inferior da faixa de

HF; ocorrerá por flutuações na altura ou densidade na ca-

mada de reflexão da onda.


WJR 87


O combate ao desvanecimento é realizado pelo uso de fre-

qüências espaçadas - diversificação de freqüências - ou

utilizar antenas distanciadas - diversificação em espaço.


WJR 88

Onda Espacial

Neste tipo de propagação as ondas caminham em linha re-

ta, sendo limitadas na propagação pela curvatura da terra.

Este tipo de propagação é semelhante às ondas eletromag-

néticas no espaço livre.


WJR 89

Onda Espacial


WJR 90

Horizonte de Rádio

O horizonte de rádio de uma antena é dado com boa apro-

ximação pela fórmula empírica:

d ht t= 4 d d d h h mt r t r= + = +4 4

onde: dt é a distância à antena transmissora em km; ht é a

altura da antena transmissora ou receptora em metros.


WJR 91

Propagação de onda espacial em microondas

É de conhecimento que a densidade do ar decresce e o ín-

dice de refração aumenta com o aumento da altura em tor-

no da terra.


WJR 92


O principal requisito para a formação de ductos atmosféri-

cos é o chamado fenômeno de inversão de temperatura.

Corresponde ao aumento da temperatura com a altura em

vez do usual decréscimo de 6,2oC/km.

A super refração é mais provável de ocorrer na zona sub-

tropical do que em zona temperada.


WJR 93



WJR 94

Propagação por Difusão Troposférica

Utiliza propriedades da troposfera, a mais próxima porção

da atmosfera, dentro de cerca de 15 km acima da superfície

da terra.


WJR 95


As razões para a dispersão não são conhecidas mas exis-

tem duas teorias. Uma sugere reflexões por blobs – bolhas,

semelhante a dispersão em um refletor; a outra sugere re-

flexões por camadas atmosféricas.


WJR 96



WJR 97


A potência recebida é muito reduzida, da ordem de um mili-

onésimo a um bilhonésimo da potência incidente no volume

comum, sendo que potências da ordem de MW são comuns

e necessárias.


WJR 98


É empregada para proporcionar telefone a longa distância e

outros links de comunicações como uma alternativa aos

links de microondas ou cabos coaxiais sobre terrenos áspe-

ros ou inacessíveis.


WJR 99


A tropodifusão está sujeita a dois tipos de desvanecimen-

tos:

• um rápido com variações na intensidade máxima do

sinal atingindo o máximo de 20 dB, sendo o pior;

• segundo muito vagaroso sendo provocado pelas vari-

ações nas condições atmosféricas ao longo da trajetó-

ria do sinal.


WJR 100


Por causa dos desvanecimentos, os sistemas são empre-

gados com diversificação em espaços, ou o mais comum a

diversificação em freqüência.

Sistemas com diversificação quádrupla são encontrados

com duas antenas em cada extremidade, separadas por

distâncias algo maior do que 30 comprimentos de onda.

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