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Curso de Eletrônica - Parte 9 – Ondas Eletromagnéticas (CUR009)

Ondas Eletromagnéticas

As ondas eletromagnéticas, incluindo-se as chamadas ondas de rádio, possuem uma natureza completamente diferente das ondas sonoras. Estas ondas além de uma velocidade muito maior não precisam de meio material para se propagar, o que significa que podem se propagar inclusive no vácuo.

As ondas eletromagnéticas são produzidas por cargas elétricas que oscilam ou vibram em torno de uma determinada posição conforme explicaremos a seguir.

Tomamos para as nossas explicações apenas uma carga elétrica como exemplo. Veja, entretanto, que as mesmas explicações valem também para uma grande quantidade de cargas em movimento como, por exemplo, as que formam uma corrente num fio.

Se tivermos então uma carga elétrica em repouso (parada) em sua volta manifesta-se apenas um campo elétrico, conforme mostra a figura 232.

 

Figura 232 – Uma carga elétrica em repouso cria um campo elétrico
Figura 232 – Uma carga elétrica em repouso cria um campo elétrico

 

Se esta carga sair da posição de repouso, deslocando-se rapidamente para outra posição, as linhas de força do campo elétrico se contraem, e ao mesmo tempo aparece um campo magnético cujas linhas de força envolvem a trajetória da carga.

No momento em que a carga chegar à nova posição de repouso em B, as linhas do campo magnético se contraem e, ao mesmo tempo, expande-se o campo elétrico em torno da nova posição da carga.

Agora, supondo que a carga volte a sua posição inicial em A, temos novamente a contração das linhas do campo elétrico com a expansão do campo magnético, conforme mostra a figura 233.

 

Figura 233 – Uma carga elétrica em movimento cria um campo magnético – o campo tem orientação que depende do sentido do movimento
Figura 233 – Uma carga elétrica em movimento cria um campo magnético – o campo tem orientação que depende do sentido do movimento

 

Se a carga elétrica oscilar rapidamente, passando da posição A para B e depois voltando para A num processo ritmado, teremos a produção de uma perturbação tanto de origem elétrica como magnética. Essa perturbação se propaga pelo espaço a uma velocidade de 300 000 quilômetros por segundo na forma de uma onda.

Dizemos que se trata de uma onda eletromagnética e ela transporta energia através do espaço, não precisando de suporte material, ou seja, pode propagar-se no vácuo.

As ondas eletromagnéticas podem ter frequências tão baixas como alguns hertz. É o caso das ondas produzidas pelas cargas que oscilam dentro dos fios da nossa instalação elétrica, mas que não se propagam a grandes distâncias pela sua intensidade, até mais altas como as usadas pelo rádio (AM e FM), televisão, celular e radar e de altíssimas frequências como as que formam a radiação infravermelha, a luz visível e a luz ultravioleta.

Fazendo com que as cargas oscilem em condutores propriamente dimensionados, denominados “antenas”, conseguimos que as ondas eletromagnéticas sejam irradiadas pelo espaço com grande eficiência e até mesmo em direções escolhidas.

Podemos usar essas ondas para transportar informações, fato que é a base dos sistemas modernos de telecomunicações que fazem uso das ondas de rádio.

Estas ondas podem ter milhões ou mesmo bilhões de vibrações por segundo o que é medido em megahertz e gigahertz (MHz ou GHz). Na figura 234 temos representação do espectro eletromagnético, ou seja, um gráfico em que aparecem as principais frequências das ondas eletromagnéticas e onde são usadas.

 

  Figura 234 – Parte do espectro das ondas eletromagnéticas que inclui as ondas de rádio
Figura 234 – Parte do espectro das ondas eletromagnéticas que inclui as ondas de rádio

 

Observe que acima de determinado valor, as ondas já se comportam de uma maneira diferente consistindo numa forma de radiação que sentimos como calor, sendo os raios infravermelhos. E depois, em frequências mais altas ainda essas ondas podem ser capazes de impressionar nossos olhos: é a luz visível. Acima da luz visível temos os raios ultravioleta, raios X e raios gama.

As diferentes frequências desta faixa podem ser distinguidas pelos nossos olhos nos dando a sensação das cores, conforme o leitor verá na figura 235.

 

Figura 235 – O espectro visível
Figura 235 – O espectro visível

 

Assim, o vermelho corresponde a uma luz de frequência mais baixa que o azul, ou seja, de maior comprimento de onda.

Para medir os comprimentos de onda das ondas eletromagnéticas de menor frequência usamos unidades comuns como o metro e até mesmo o centímetro. No entanto, para as ondas de frequências muito altas, como da luz, é comum usarmos outras unidades como o nm (nanômetro) que equivale a 10-9 metros e o angstrom (A) que equivale a 10 -8 metros.

A partir de agora estudaremos mais as ondas que estão na faixa de alguns hertz a alguns gigahertz que correspondem às ondas de rádio.

As ondas de frequências mais altas são estudadas na óptica e suas ramificações como, por exemplo, a optoeletrônica.

 

Espectro contínuo O espectro das ondas eletromagnéticas (assim como dos sons) é contínuo no sentido de que não existe separação entre dois valores de frequências. Assim, a quantidade de frequências possíveis é infinita. Entre dois valores quaisquer de frequência podemos encontrar infinitos valores.

Foi Maxwell que previu a existência das ondas de rádio ao formular equações que mostravam não apenas a luz era formada por ondas eletromagnéticas, mas que existiam ondas de todas as frequências possíveis no espectro. Assim, todo espectro abaixo da luz visível e do infravermelho poderia conter ondas com as mesmas propriedades.

 

Faixas de Rádio

O espectro de rádio frequências usado em telecomunicações é dividido em faixas. Essas faixas normalmente são especificadas pelas suas abreviações, conforme mostra a tabela abaixo.

 


 

 

 

 

Onde:

VLF – Very Low Frequency – frequência muito baixa

LF- Low Frequency – baixa frequência

MF- Medium Frequency – media frequência

HF – High Frequêncy – alta frequência

VHF – Very High Frequency – frequência muito alta

UHF – Ultra High Frequency – frequência ultra alta

SHF – Super High Frequency – frequência super alta

EHF – Extra High Frequência – frequência extra alta

 

Foi Hertz quem primeiro conseguiu produzir ondas de rádio em uma extremidade de seu laboratório e recebê-las num receptor rudimentar colocado na outra extremidade, comprovando assim sua existência prevista por Hertz.

 

Características das ondas de rádio

Da mesma forma que as ondas sonoras, as ondas de rádio possuem características importantes que todo profissional deve conhecer. Começamos nossos estudos pelas principais características:

 

Comprimento de onda

Um conceito muito importante no estudo das ondas eletromagnéticas é o de comprimento de onda. Voltemos à nossa carga oscilante para explicar melhor o que significa isso:

Supondo que a partir de um determinado instante a carga se desloque do ponto A para o ponto B, produzindo com isso uma perturbação eletromagnética que varie em suas duas componentes (elétrica e magnética) entre o máximo e o mínimo, e depois volte à posição inicial A, ocorre o seguinte:

Quando a carga voltar ao ponto A no final do ciclo de oscilação ou vibração, a perturbação inicial, produzida no instante exato em que o processo se inicia terá caminhado pelo espaço uma certa distância, conforme o leitor verá na figura 236.

 

 Figura 236 – O comprimento de onda de uma onda eletromagnética
Figura 236 – O comprimento de onda de uma onda eletromagnética

 

A distância que a perturbação caminha em um tempo correspondente a um ciclo da onda eletromagnética nos dá o comprimento da onda.

Vamos supor um sinal eletromagnético cuja frequência seja de 100 megahertz (100 000 000 Hz ou 100 MHz), como o usado nas transmissões de FM.

Em 1 ciclo, ele terá percorrido uma distância de:

d = 300 000 000/100 000 000

d = 3 metros

(O valor fixo 300 000 000 corresponde à velocidade de propagação da luz em metros por segundo – na verdade esse valor é aproximado, pois existe uma pequena diferença quando as ondas se propagam no vácuo e em meios materiais).

Assim, o comprimento de onda deste sinal é de 3 metros.

Veremos que para este sinal, para ser captado convenientemente por uma antena, sua dimensão deve ser da mesma ordem que metade do comprimento da onda. Assim, uma antena de FM simples, será formada por dois fios na disposição mostrada na figura 237 e que tenha um comprimento de 1 metro e meio!.

 

Figura 237 – As dimensões de uma antena são dadas pelo comprimento de onda do sinal que deve ser recebido
Figura 237 – As dimensões de uma antena são dadas pelo comprimento de onda do sinal que deve ser recebido

 

Esta antena, muito propriamente, chama-se “dipolo de meia onda” e está sintonizada, no caso de um metro e meio, para o centro da faixa de FM, onde terá o máximo rendimento, em torno de 100 MHz.

O leitor observará que as varetas de uma antena de TV possuem comprimentos diferentes porque são “cortadas” para as diversas frequências dos canais que devem ser sintonizados. Isso também ocorre com todos os equipamentos que devem receber ou transmitir ondas de radio. A figura 238 mostra uma antena de TV para diversos canais de frequências diferentes.

 

Figura 238 – Uma antena para diversos canais de TV
Figura 238 – Uma antena para diversos canais de TV

 

Veja que, quanto mais alta for a frequência, menor será o comprimento de onda. Isso fica claro ao observarmos uma antena de VHF e uma de UHF.

As frequências de UHF são mais altas, o significa que correspondem a comprimentos de ondas menores, e por isso suas varetas são menores. É por isso que, tomando a faixa das ondas usadas em rádio, temos a denominação de ondas médias para as frequências mais baixas e depois de ondas curtas para as frequências mais altas.

 

Amplitude

As ondas eletromagnéticas carregam energia. A quantidade de energia que elas transportam é dada pela sua intensidade ou amplitude. Na figura 239 representamos duas ondas eletromagnéticas de mesma frequência, mas de amplitudes diferentes.

 

Figura 239 – Ondas de amplitudes diferentes, mas de mesma frequência
Figura 239 – Ondas de amplitudes diferentes, mas de mesma frequência

 

 

Polarização

Conforme estudamos, as ondas são formadas por campos elétricos e magnéticos que se alternam. Se considerarmos uma onda que se propaga numa certa direção, conforme mostra a figura 240, vemos que os campos elétricos e magnéticos avançam perpendicularmente um ao outro.

 

 Figura 240 – Os campos elétricos e magnéticos avançam perpendicularmente um em relação ao outro
Figura 240 – Os campos elétricos e magnéticos avançam perpendicularmente um em relação ao outro

 

Assim, podemos falar em polarização como uma característica que define a orientação que os campos possuem ao se propagarem, em especial tomando como referência o campo elétrico.

A polarização é muito importante nas aplicações práticas, principalmente envolvendo antenas. As ondas de TV na faixa de VHF, por exemplo, são polarizadas horizontalmente. Conforme o leitor poderá na figura 241 para captá-las convenientemente as antenas devem ter suas varetas na posição horizontal.

 

Figura 241 – As varetas ficam na posição determinada pela polarização do campo elétrico da onda recebida
Figura 241 – As varetas ficam na posição determinada pela polarização do campo elétrico da onda recebida

 

 

Propriedades das Ondas Eletromagnéticas

As ondas eletromagnéticas apresentam certas propriedades que vão ser importantes para se entender o seu comportamento em determinadas condições. O profissional da eletrônica deve conhecer estas propriedades, principalmente aqueles que vão se dedicar às telecomunicações.

 

Velocidade e Propagação

As ondas eletromagnéticas se propagam em linha reta, no vácuo com uma velocidade de aproximadamente 300 000 km/s. Nos meios materiais, dependendo de sua natureza a velocidade é menor.

 

Reflexão

As ondas de rádio podem refletir em determinados tipos de obstáculos.

Como as ondas de som, é preciso que as dimensões dos obstáculos sejam maiores que a da onda (comprimento) usado para que tenhamos uma reflexão eficiente. Se a onda for muito longa em relação ao objeto ela consegue contorná-lo, conforme mostra a figura 242.

 

Figura 242 – As ondas passam através de pequenos obstáculos e refletem em grandes obstáculos
Figura 242 – As ondas passam através de pequenos obstáculos e refletem em grandes obstáculos

 

A reflexão é responsável por muitos fenômenos importantes alguns dos quais também interessantes. Tomemos como exemplo o caso das ondas emitidas pelas emissoras de TV na faixa de VHF.

Em determinadas condições, quando existem morros, prédios e outros obstáculos capazes de refletir as ondas, o sinal emitido pela estação pode chegar até a antena receptora por dois percursos diferentes, conforme mostra a figura 243.

 

Figura 243 – Fantasmas produzidos por reflexões dos sinais
Figura 243 – Fantasmas produzidos por reflexões dos sinais

 

O sinal refletido num morro ou prédio, por ter de percorrer uma distância maior terá um retardo em relação ao que vem direto.

Esse retardo é interpretado pelos circuitos como dois sinais diferentes e isso causará o aparecimento de uma segunda imagem deslocada na tela. Esse fenômeno recebe o nome de “fantasma” e pode ser resolvido com a utilização de uma antena que “rejeite” os sinais que venham segundo ângulos para os quais ela não esteja apontada.

O uso de uma antena bem direcional ou mesmo sua mudança de posição no telhado podem ajudar a evitar o sinal refletido e com isso eliminar o “fantasma”.

Uma das vantagens da TV digital, é que os sinais que levam as informações podem ser “conferidos” através de algoritmos que impedem que informações falsas como as que correspondam a sombras e outros problemas sejam processados. Isso significa que a TV digital não apresenta o problema dos “fantasmas”, comum à TV analógica, principalmente em zonas urbanas.

O radar é um aparelho muito usado na detecção de aeronaves e mesmo no controle de tráfego aéreo que aproveita muito bem as reflexões das ondas de rádio, segundo princípio que já estudamos no caso do sonar.

Um transmissor potente emite ondas que se refletem nos aviões e são captadas de volta por uma mesma antena ou em alguns casos por outra, conforme o leitor poderá ver na figura 244.

 

Figura 244 – O radar
Figura 244 – O radar

 

Pelo tempo que o sinal demora para ir e voltar, além da intensidade com que ele é captado de volta, pode-se ter uma informação precisa sobre a posição do avião, seu tamanho e até mesmo velocidade.

Um “espelho” natural para as ondas de rádio é a camada de atmosfera, formada por partículas carregadas de eletricidade, chamada ionosfera e que se situa em alturas entre 80 e 400 km, conforme pode ser visto na figura 245.

 

Figura 245 – A ionosfera reflete determinados comprimentos de onda
Figura 245 – A ionosfera reflete determinados comprimentos de onda

 

Esta camada consegue refletir as ondas de rádio até uma frequência de aproximadamente 50 MHz, fazendo os sinais se curvarem e com isso serem refletidos de volta, em direção à terra. Como a terra também reflete estes sinais, eles podem se propagar “em saltos” percorrendo grandes distâncias.

Estes sinais correspondem às ondas curtas que, por esse motivo, podem alcançar grandes distâncias, contornando a curvatura da terra em “saltos”.

Nesta faixa, estações muito distantes podem ser captadas, o que não ocorre com as ondas usadas para TV e FM (muito mais curtas) e que não refletem na ionosfera.

O alcance destes sinais fica limitado a algumas centenas de quilômetros, dada a curvatura da terra, conforme o leitor poderá ver figura 246.

 Figura 246 – O alcance dos sinais de TV e FM estão limitados pela curvatura da terra
Figura 246 – O alcance dos sinais de TV e FM estão limitados pela curvatura da terra

 

 

Luz Também é onda eletromagnética A luz também consiste em ondas eletromagnéticas cuja frequência está bem acima das ondas de rádio, mas que tem o mesmo comportamento. Assim, a luz também reflete em objetos e um deles é o espelho, que nada mais é do que uma superfície polida.

 

Refração

Da mesma forma que a luz (que também é formada por ondas eletromagnéticas), as ondas de rádio comuns sofrem uma mudança da direção e velocidade de propagação quando passam de um meio para outro.

Assim, conforme podemos observar na figura 247, encontrando uma camada de ar com menor densidade, devido ao calor, por exemplo, as ondas podem sofrer um encurvamento de sua trajetória, alcançando grandes distâncias.

 

Figura 247 – Refração em bolsas de ar quente (inversão térmica)
Figura 247 – Refração em bolsas de ar quente (inversão térmica)

 

Esse fenômeno, denominado "refração troposférica" faz com que, em alguns casos, sinais de frequências que normalmente não se refletem na ionosfera possam ser captados a distâncias muito grandes.

Também devemos considerar que, ao se propagar num meio material denso, as ondas sofrem uma "atenuação", ou seja, tem sua intensidade diminuída, pela absorção da energia que transportam.

 

Miragem Um fenômeno relacionado com a refração e que ocorre com a luz é a miragem. Conforme mostra a figura A, a luz que provém do céu (azul) sofre um desvio nas camadas de ar quente do deserto, fazendo uma trajetória curva.

 


 

O viajante do deserto olhando para o horizonte, vê então o céu projetado no chão o que lhe dá a impressão de água ou de um lago.

 

Difração

Quando as ondas de rádio encontram um obstáculo que impeça sua propagação, elas podem sofrer uma mudança de direção de propagação, conforme o leitor poderá ver figura 248.

 

Figura 248 – Difração de ondas de rádio
Figura 248 – Difração de ondas de rádio

 

As bordas de um prédio ou de um morro podem funcionar como elementos que desviam a trajetória das ondas que passam a se dispersar a partir daquele ponto em todas as direções, sempre propagando-se em linha reta.

 

Transmissores

Os aparelhos que se destinam à produção de ondas de rádio para sua transmissão são denominados transmissores. Um transmissor nada mais é do que um circuito eletrônico que produz uma corrente alternada na frequência do sinal que deve ser transmitido.

Quando esta corrente é aplicada a uma antena, em torno da antena são produzidas as ondas de mesma frequência que se propagam pelo espaço. Veja a figura 249.

 

Figura 249 – Campos numa antena
Figura 249 – Campos numa antena

 

Os transmissores se diferenciam não só pela frequência do sinal que produzem e a potência como também pelo modo como as informações que devem ser enviadas pelos sinais.

Existem diversos modos de se aplicar uma informação a um sinal que gerará uma onda de rádio de modo que ela seja transmitida. Estes modos são denominados "modulação".

 

Modulação

Denominamos modulação o processo segundo o qual alteramos alguma característica de uma onda eletromagnética de modo que ela possa transportar informações (som, imagem, dados, etc.).

Existem diversas técnicas de modulação empregadas atualmente, cuja escolha depende do tipo de informação que deve ser transmitida.

As principais são:

 

1) Modulação em Amplitude ou AM

Na modulação em amplitude o que se faz é alterar a intensidade de um sinal de alta frequência (portadora) o qual é usado para produzir uma onda eletromagnética, usando um sinal de baixa frequência, conforme mostra a figura 250.

 

Figura 250 – Modulação em amplitude
Figura 250 – Modulação em amplitude

 

O sinal de alta frequência que transporta a informação (sinal de baixa frequência) é denominado "portadora". Usamos esse processo no sistema de radiodifusão de ondas médias e curtas (AM) e para as imagens de TV comum em VHF ou UHF.

No caso do rádio, o que fazemos é aplicar os sinais de baixas frequências que correspondem aos sons captados por um microfone, por exemplo, ao circuito que leva o sinal à antena, conforme o leitor verá na figura 251.

 

Figura 251 – Diagrama de blocos de um transmissor
Figura 251 – Diagrama de blocos de um transmissor

 

Fazendo isso, o sinal aplicado à antena e, portanto, as ondas produzidas terão sua intensidade variando segundo o mesmo ritmo ou características do sinal modulador de baixa frequência. No caso das estações de TV, o sinal de vídeo, que corresponde à imagem captada pela câmara, faz variar a portadora de alta frequência e com isso é transportado para o receptor de TV.

 

2) Modulação em Frequência ou FM

Na modulação em frequência ou FM o que se faz é variar a frequência da portadora (sinal de alta frequência) acompanhando o sinal de baixa frequência que deve ser transportado. Na figura 252 mostramos como um sinal de baixa frequência faz variar a frequência de uma portadora entre duas frequências diferentes.

 

  Figura 252 – Portadora modulada em frequência
Figura 252 – Portadora modulada em frequência

 

Uma das vantagens do processo de modulação em frequência em relação ao processo de modulação em amplitude está no fato de que a intensidade do sinal se mantém constante o que o leva a uma maior imunidade a ruídos e interferências.

 

3) Modulação de Largura de Pulso ou PWM

Esse processo é muito usado em sistemas de controle quando um sinal deve controlar a velocidade de um motor, a temperatura de um sistema de aquecimento ou outro tipo de transdutor. Conforme o leitor poderá ver na figura 253, o que se faz é alterar a duração ou largura dos pulsos produzidos por um oscilador de acordo com a informação ou grandeza analógica que deve ser transmitida. O circuito liga e desliga numa velocidade tal que permite controlar o valor médio da amplitude.

 

Figura 253 – Na PWM controlamos os tempos t1 e t2.
Figura 253 – Na PWM controlamos os tempos t1 e t2.

 

 

4) Modulações digitais

Para a transmissão de sinais digitais, existem ainda outros processos como o que faz uso do que se denomina “espectro espalhado” onde as informações ocupam bandas de frequências que mudam constantemente.

Esse processo é usado nas comunicações “wireless” entre computadores, telefonia celular e muitos outros. (Veja nosso curso de Telecomunicações)

 

Receptores

Os receptores nada mais são do que os equipamentos que podem captar os sinais enviados pelos transmissores. Basicamente eles possuem uma antena, um circuito de sintonia e um circuito capaz de separar a informação enviada do sinal que a transporta. A antena, dependendo da frequência do sinal que deve ser recebido, é uma vareta de metal.

Quando as ondas passam pela antena é induzida uma corrente de mesma frequência que vai ao circuito de sintonia. O circuito de sintonia consegue separar o sinal da estação desejada de todos os demais sinais que a antena está interceptando naquele momento.

A configuração mais comum para os circuitos de sintonia é formada por uma bobina e um capacitor, conforme o leitor verá na figura 254.

 

Figura 254 – Circuito de sintonia LC
Figura 254 – Circuito de sintonia LC

 

A separação do sinal de alta frequência (portadora) do sinal de baixa frequência (informação) é feita por configurações que dependem do tipo de sinal a ser processado.

Circuitos ressonantes Estes circuitos formados por bobinas (indutores) e capacitores são normalmente estudados de uma forma mais profunda nos cursos de telecomunicações. Na prática podemos dizer que existe uma frequência única a qual o circuito tem uma impedância nula (LC série) ou infinita (LC paralelo)

 

Interferências e Ruídos

Juntamente com os sinais das estações transmissoras estão presentes no espaço, e por isso são captados pelas antenas, sinais indesejáveis que causam diversos tipos de problemas. Esses sinais indesejáveis são basicamente de dois tipos:

 

1 Ruídos

Os ruídos são sinais sem um padrão definido, normalmente produzidos por fenômenos naturais e pelo funcionamento de alguns tipos de aparelhos comuns. Um ruído, conforme mostra a figura 255 tem um espectro largo que se espalha de tal forma que ele pode afetar toda uma faixa de serviços de comunicações.

 

 Figura 255 – f1 e f2 pode abranger uma ampla faixa do espectro das telecomunicações
Figura 255 – f1 e f2 pode abranger uma ampla faixa do espectro das telecomunicações

 

Quando a intensidade do ruído é maior do que a do sinal que deve ser recebido, a recepção se torna impossível.

Fontes de ruído naturais são as descargas elétricas atmosféricas (raios) que podem ser "ouvidos" em qualquer rádio de AM sintonizado numa frequência livre, na forma de estalos. Fontes artificiais de ruído são os motores de muitos eletrodomésticos, máquinas de solda e equipamentos industriais.

Os pequenos traços que aparecem na imagem de um televisor analógico na faixa de VHF e UHF quando ligamos um eletrodoméstico nas proximidades são exemplos de ruídos que se propagam pelo espaço na forma de ondas eletromagnéticas.

As interferências possuem um padrão fixo de frequência, normalmente ocupando poucas faixas estreitas do espectro, conforme mostra a figura 256.

 

Figura 256 – Um sinal que interfere apenas no canal 2 da faixa de VHF
Figura 256 – Um sinal que interfere apenas no canal 2 da faixa de VHF

 

Normalmente elas têm origem artificial, sendo geradas por equipamentos que possuam circuitos de altas frequências tais como outros transmissores, máquinas industriais, equipamento médico, etc.

Um transmissor mal ajustado pode gerar, além da frequência de operação, sinais espúrios e harmônicas que são irradiados. Esses sinais vão interferir na recepção de outros sinais, causando problemas dos mais diversos tipos.

Chamamos de "harmônicas" as frequências múltiplas de um sinal, conforme o leitor verá na figura 257.

 


 

 

Verifica-se que se um sinal não possui uma forma de onda perfeitamente senoidal, ele pode ser decomposto em sinais senoidais de frequências múltiplas (harmônicas), conforme mostra a figura 258.

 

Figura 258 – Um sinal qualquer pode ser decomposto num frequência fundamental e suas harmônicas
Figura 258 – Um sinal qualquer pode ser decomposto num frequência fundamental e suas harmônicas

 

Assim, um sinal que não seja senoidal, na verdade é formado por uma frequência fundamental e harmônicas que podem causar interferências em serviços de radiocomunicações.

 

Utilização das ondas de rádio

Os sinais das diversas faixas de frequências se comportam de modo diferente, sendo portanto utilizados em tipos diferentes de comunicações. A tabela abaixo nos dá uma idéia de como são usados.

FrequênciasClassificaçãoModo de Propagação mais comumAlcance típicoUtilização prática10 kHz a 500 kHzQuilométrica – VLF e LFRente à superfície da terra acompanhandoa sua curvaturaAlgumas centenas de quilômetrosRadiofarol e comunicação marítima 500 kHz a 3 MHzHectométricas MFrente ao solo e à noite com reflexão na ionosferatipicamente até 500 kmRadiodifusão, radiofarol3 MHz a 30 MHzDecamétricas – HFReflexão na ionosfera, principalmente à noitemilhares de quilômetrosRadiodifusão, radioamadores, comunicações à longa distância30 MHz a 300 MHzMétricas - VHFLinha direta ou cabos (*)Até 200 km (típico)TV, FM e comunicações 300 MHz a 3 GHzDecimétricas – UHFLinha direta e por cabos (*)Até 200 km (típico)TV e comunicações 3 GHz a 30 GHzCentimétricas – SHFDireta, guia de ondas e satélites200 km em terra e ilimitada por satéliteComunicações, radar30 GHz a 300 GHzMilimétricasDireta e guias de ondapouco uso aindacomunicações300 GHz em dianteMicrométricasGuias de onda e fibras ópticasuso em expansãocomunicações

Obs.: os modos de propagação ficarão mais claros quando estudarmos os próximos itens desta lição.

 

Antenas

Todo sistema de telecomunicações que faz uso de ondas eletromagnéticas tem como elemento importante para seu funcionamento a antena. No transmissor, correntes de altas frequências geram as ondas eletromagnéticas.

A função da antena é então transferir a energia gerada pelo transmissor para o espaço na forma de ondas .No receptor, a antena é usada para interceptar as ondas que chegam até ele, induzindo correntes que são levadas então ao circuito de processamento.

Na figura 259 mostramos o que ocorre quando aplicamos um sinal de alta frequência numa antena, tomando como exemplo a configuração formada por dois condutores. Observe que aparecem alternadamente dois campos: o elétrico e o magnético.

 

Figura 259 – Uma antena percorrida por uma corrente de alta frequência cria ondas eletromagnéticas que se propagam pelo espaço
Figura 259 – Uma antena percorrida por uma corrente de alta frequência cria ondas eletromagnéticas que se propagam pelo espaço

 

As dimensões de uma antena são importantes para sua eficiência tanto na transmissão como na recepção dos sinais. Assim, a antena tomada como exemplo deve ter um comprimento que corresponda a ½ do comprimento da onda na frequência que deve ser transmitida. Veja pela figura 260 que nessa antena a corrente e a tensão se distribuem de modo diferentes.

 

Figura 260 – Eficiência e dimensões de uma antena
Figura 260 – Eficiência e dimensões de uma antena

 

Nas extremidades temos os pontos de tensão máxima e no centro da antena temos os pontos em que a intensidade da corrente é mínima.

Podemos dizer que esta configuração equivale a um circuito ressonante ideal, como o mostrado na figura 261.

 

Figura 261 – Circuito ressonante ideal
Figura 261 – Circuito ressonante ideal

 

Veja que, num circuito ressonante a reatância capacitiva é igual à reatância indutiva (XL =XC) na frequência de ressonância. Isso significa que uma antena deste tipo, na frequência de ressonância ela se comporta como uma carga resistiva pura. Essa componente é a impedância da antena. Numa antena do tipo analisado os cálculos mostram que essa impedância tem um valor fixo: 73 ohms. Na prática, adota-se como valor mais apropriado para os cálculos 75 ohms.

Veja também que existem alguns fatores que podem influir nesta impedância tais como a espessura do fio usado, e a própria velocidade de propagação da onda no material de que é feita a antena. A antena que analisamos é o chamado “dipolo de meia onda”. No entanto existem outros tipos de antenas.

Conforme vimos, uma das características importantes no projeto de uma antena é a sua impedância. A impedância de uma antena depende do modo como ela é construída e de suas dimensões, havendo diversos tipos que serão analisados no próximo item.

No entanto, além da impedância existem algumas características das antenas que são de grande importância no seu projeto para uma determinada aplicação. Analisemos algumas delas.

 

a) Ganho

Quando falamos em ganho, isso não significa que uma antena possa “amplificar” os sinais que transmite ou que recebam. Uma antena é um elemento passivo tanto na transmissão como na recepção de sinais. Não existem elementos que possam introduzir um ganho efetivo num sinal de uma antena.

Usamos o termo ganho para expressar a capacidade que uma antena para receber sinais de uma determinada direção quando a comparamos com uma antena usada como referência. Podemos entender melhor esse significado tomando como exemplo a antena mostrada na figura 262.

 

Figura 262 – Ganho de uma antena
Figura 262 – Ganho de uma antena

 

Se essa antena concentra a energia transmitida numa certa direção ela possui um ganho, pois a intensidade da energia na direção considerada é maior do que uma antena comum tomada como referência que irradie o sinal com a mesma intensidade em todas as direções.

O mesmo é válido para uma antena receptora. Se ela consegue captar melhor os sinais que chegam de uma determinada direção, também podemos falar que esta antena possui um ganho quando comparado ao desempenho da antena tomada como padrão que recebe da mesma maneira os sinais que vêm todas as direções.

 

b) Diretividade

Uma esfera pode ser considerada uma antena ideal. Ela irradia ou recebe sinais com a mesma intensidade em todas as direções.

Evidentemente, para as aplicações prática pode não ser interessante ter um padrão de irradiação desse tipo. Na prática, as antenas devem concentrar os sinais em determinadas direções. Para isso, seus formatos raramente são esféricos, mas sim planejados para se obter um comportamento diretivo. Podemos então falar na diretividade de uma antena como a sua capacidade de concentrar sinais e expressar isso através de um diagrama, conforme mostra a figura 263.

 

Figura 263 – Diretividade de uma antena
Figura 263 – Diretividade de uma antena

 

Nesse diagrama plotamos as intensidades relativas do sinal (recebido ou transmitido) para cada direção a partir daquela para a qual a antena é apontada. O padrão típico mostrado na figura 250 possui um lóbulo maior que corresponde aos sinais irradiados na direção para a qual a antena está apontada, e outros lóbulos menores que indicam a irradiação de sinais em menor intensidade. Também existem direções em que nenhum sinal é irradiado (ou recebido).

Quanto mais estreito for o lóbulo principal e os menores os outros, mais diretiva é a antena e maior é o seu ganho na direção para a qual está apontada. Uma característica importante de uma antena muito diretiva é que ela tende a rejeitar com mais facilidade sinais que chegam lateralmente. Isso é importante se ela for receptora e no local existirem fontes de interferências. Os sinais dessas fontes podem ser naturalmente rejeitados pela simples escolha de uma antena apropriada.

 

c) Polarização

Os campos elétrico e magnético que correspondem à uma onda transmitida ou recebida por uma antena possuem uma orientação específica. Os campos (magnético e elétrico) são perpendiculares um ao outro. O modo como eles aparecem numa antena transmissora ou devem ser captados por uma antena receptora determina a sua polarização. Uma antena com polarização vertical, conforme mostra a figura 264, não recebe de maneira eficiente sinais que chegam com uma polarização horizontal.

 

Figura 264 – A antena deve ser polarizada de acordo com o sinal que deve ser recebido
Figura 264 – A antena deve ser polarizada de acordo com o sinal que deve ser recebido

 

É por este motivo que as antenas comuns de TV para VHF que vemos nos telhados das casas têm suas varetas colocadas em posição horizontal e não vertical. Os sinais de TV são polarizados horizontalmente.

 

 

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As lições deste curso são:

Lição 1 – Matéria e energia, a natureza da eletricidade, eletricidade estática

Lição 2 – Energia elétrica, corrente e tensão. O circuito elétrico

Lição 3 – Resistência elétrica, resistores, Lei de Ohm, Lei de Joule

Lição 4 – Tipos de geradores, rendimento e equação do gerador

Lição 5 – Capacitores

Lição 6 – Magnetismo e eletromagnetismo

Lição 7 – Corrente alternada

Lição 8 – Som e Acústica

Lição 9 – Ondas eletromagnéticas

 

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