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Curso de electrónica - parte 22 Microondas e UHF

Mensagem  joseflor em Qui 4 Dez 2008 - 6:26

Índice do curso aqui

Introdução á electrónica básica
Parte 22
Microondas e UHF


I – Histórico das microondas
O termo microondas é-nos bastante familiar, dada a grande divulgação que dele se faz ao implementar-se, no país, esse sistemas de telecomunicações, que permite a ligação imediata e perfeita entre os pontos mais distantes da Terra. Entretanto, por mais paradoxo que pareça, foi com microondas que se fizeram as primeiras experiências de radiocomunicação, pois o gerador de chispas utilizado por Hertz produzia ondas menores que um metro. Isto permitiu aos pesquisadores pioneiros demonstrar a identidade entre as ondas eletromagnéticas e luminosas. Entretanto, dada a pouca sensibilidade dos receptores da época, foi necessário aumentar o comprimento de onda, para que se atingisse distancia razoável. Devido a esse fato, a técnica de radiocomunicação inicialmente foi orientada para as ondas longas. Depois da Primeira Grande Guerra, chegou-se à conclusão de que as ondas curtas (HF) permitem melhores ligações entre dois pontos que as ondas longas, ao mesmo tempo que permitem um número bem maior de canais. Até recentemente, todas as ligações intercontinentais, tanto de telefonia quanto de telegrafia automática (telex), eram efetuadas em ondas curtas, sem contarmos as transmissões radiofónicas de entretenimento. Entretanto, a transmissão por ondas curtas padece de inconvenientes dificilmente sanáveis, tais como a baixa qualidade dos circuitos telefónicos, o reduzido números de canais, o desvanecimento, o ruído excessivo e a pouca confiabilidade, já que as comunicações não são possíveis, durante todas as horas do dia, além de, em certas circunstancias, serem bloqueadas por longos períodos. A necessidade de se encontrar outro modo de comunicação levou os pesquisadores para o campo das ondas decimétricas, que foram batizadas como microondas. As primeiras investidas no campo da microonda foram realizadas por volta de 1930, quando se começaram a transmitir sinais telefónicos multiplexados, utilizando cabos. Com a Segunda Guerra, foi dado grande impulso às microondas, em razão de sua aplicação em radar e para as comunicações telefónicas de campanha. Daí em diante, a utilização da microonda generalizou-se. Foi extensamente empregada nas ligações internas a grande distancias de sistemas telefónicos e de TV, através de repetidores, e de ligações intercontinentais por meio de cabo. A colocação em órbita de satélites repetidores permitiu aliviar o trafego por cabos submarinos nas ligações intercontinentais e tornar imediatas e seguras as ligações entre os mais distantes povos da Terra. Como deverá ter observado, o espetro de frequências é infinito. Assim, houve a necessidade de se dividir esse espetro em bandas e sub-bandas. Tais divisões são nomeadas segundo a faixa de frequência e sua utilização. Desta forma, temos, de maneira simples, a divisão das radiofrequências em 9 faixas, como mostrado na tabela I.

Nome

Frequências

Comprimento de onda


Nome


ELF3Hz a 30Hz100000 km a 10000 km
--

SLF30Hz a 300Hz10000 km a 1000 km
--

ULF ou VF 300Hz a 3kHz1000 km a 100 km
--

VLF3 kHz a 30 kHz100 km a 10 kmOndas miriamétricas
LF30 kHz a 300 kHz10 km a 1 kmOndas kilométricas
MF300 kHz a 1,65 MHz1 km a 182 mOndas médias
IF1,65 MHz a 3 MHz182 m a 100 mOndas intermédias
HF3 MHz a 30 MHz100 m a 10 mOndas curtas
VHF30 MHz a 300 MHz10 m a 1 mOndas métricas
UHF300 MHz a 3000 MHz 1 m a 10 cmOndas decimétricas
SHF3 GHz a 30 GHz10 cm a 1 cmOndas centimétricas
EHF30 GHz a 300 GHz10 mm a 1 mmOndas milimétricas
Tabela 1


II – O que são microondas
Como se conclui de sua denominação, a microonda é uma onda eletromagnética cujo comprimento é bastante pequeno, ou seja, entre 1 a 10 cm. Situa-se, portanto, na região das frequências superaltas (SHF – Super Hight Frequency), cujo espetro vai de 3 GHz a 30 GHz, lembrando que o GHz (gigahertz) corresponde a 1.000 MHz. Em virtude das elevadas frequências de operação, a técnica de microondas é diferente daquela dos transmissores e receptores de ondas médias, curtas e mesmo de TV, a que os componentes reais (ditos de parâmetros concentrados), tais como capacitores, indutores, etc., não poderão ser utilizados. Basta verificar, por exemplo, que um indutor de 1 μH em GHz terá reatância indutiva de 62800 Ω, aproximadamente, e um capacitor de 1 pF terá reatância capacitiva de cerca de 15,3 Ω, e valores de capacitância e indutância dessa ordem de grandeza estão presentes em pequenos pedaços de condutores. A sintonia dos circuitos não poderá ser conseguida pelos processos convencionais mas através de variação do comprimento de guia de ondas. Como a técnica da microonda foge ao escopo de nosso curso, neste tópico daremos informações gerais sobre o processo de comunicação em ondas SHF, sem preocupar-nos com os detalhes técnicos do transmissor ou receptor.

II – Propagação de microondas
Em razão da frequência elevada da microonda, o seu modo de propagação é bastante semelhante ao da luz. Assim, podemos considerar três tipos de propagação:

1ª Visão direta
Neste modo de propagação, exige-se a visão direta entre as antenas do transmissor e do receptor, como ilustra a figura 1. este processo é o mais difundido, porque as ondas se propagam com pouca atenuação (perda), possibilitando o uso de transmissores de potência reduzida. O seu maior inconveniente é que a ligação entre transmissor e receptor depende diretamente da topografia do terreno, o que obriga a procurar-se pontos altos, onde não haja intermediários, o que encarece bastante a instalação.


Figura 1


2ª Difração
Como as microondas obedecem às leis óticas de propagação, é justo esperar-se que o fenómeno da difração também seja verificado e, de fato, assim se dá. Baseado no princípio da difração, é possível fazer com que as microondas transponham obstáculos. No caso de um morro, por exemplo, como ilustramos na figura 2, o contorno desse morro, atingido pela frente de microondas, atua como pequenas fontes, cuja emissão atinge a antena que está oculta para a visão direta.


Figura 2


3ª Difusão
O fenómeno da difusão ótica é aquele que se verifica quando um feixe de raios luminosos incide sobre uma superfície áspera ou meio material que contenha corpos estranhos. Devido às reflexões e refrações, o corpo se torna visível, mesmo se constituído de substância transparente. A transmissão por esse processo é chamada de tropodifusão.


Figura 3


IV – Ruído e fading
A escolha do tipo de propagação depende de inúmeros fatores; entretanto, qualquer que seja o tipo, deverá ser confiável e de boa qualidade. A ligação entre dois pontos através de ondas eletromagnéticas pode ser perturbada pelo ruído e pelo “fading” (desvanecimento). O ruído introduz-se em qualquer parte do circuito e aumenta á medida que caminha da entrada para saída. No caso de microondas, o ruído introduzido pelo meio de propagação é bastante reduzido, sendo mesmo desprezível, de modo que o ruído final se restringe unicamente ao ruído interno do equipamento. O mesmo não acontece com o “fading”, pois o sinal é bastante afetado pela propagação dentro da atmosfera e diferentemente, de acordo com o tipo de propagação utilizado. Assim é que, nas ligações em visão direta, as comunicações são afetadas por chuvas intensas, pelas reflexões terrestres ou da troposfera etc.; nas ligações por difração, além das condições meteorológicas, também influi no “fading”, índice de refração do ar perto do solo; as ligações por tropodifusão são perturbadas pela variação do índice de refração das camadas, pelo ângulo de difusão, etc. Além do “fading”, que é uma variação do sinal no tempo, frequentemente há variação no espaço, resultante de interferências do raio principal com os raios refletidos pelo solo ou por obstáculos. Algumas vezes, acontece de o raio refletido atingir o receptor com fase invertida em relação ao direto e, quando de mesma intensidade, anular o principal. Uma situação desse tipo está ilustrada na figura 4, onde admitimos que o lance a ser vencido é um lago e que a propagação é por visão direta. A onda atinge a antena do receptor por dois caminhos: um direto e outro refletido pela superfície do lago. Essa onda refletida introduzirá perdas ou o cancelamento da onda direta. Além disso, causará flutuação do sinal, em consequência do movimento da superfície liquida determinado pelo vento. Para diminuir o problema, na instalação procura-se dirigir as antenas de modo que a onda não sofra reflexão na água e, sim no solo, e também que a superfície de reflexão seja a mais próxima possível da antena receptora, para que os caminhos direto e refletido não sejam muito diferentes.


Firura 4


V- Rádio-enlace
Apresentaremos, a seguir algumas noções do sistema de comunicação por microondas, que é chamado de rádio-enlace. Por enlace entende-se a distância total entre as estações terminais. A distância entre estações adjacentes é denominada de lance. Fundamentalmente, o sistema de rádio-enlace consta de duas ou mais estações, que podem comunicar-se nos dois sentidos, isto é, no sistema chamado duplex. Quando o enlace é muito longo, usam-se estações repetidoras.

VI – Estações repetidoras
A função principal da estação repetidora é receber o sinal enfraquecido, elevar seu nível e novamente transmiti-lo. Entretanto, esta não é sua função única, pois a repetidora pode servir para mudança de direção do sinal, entroncamento de várias rotas e também para a derivação de certo número de canais a uma determinada área de utilização. Em razão disso, a ligação entre o receptor e o transmissor da estação repetidora é efetuada por uma das três maneiras:

1ª No plano de frequência de RF
No denominado plano de frequência, a interligação é efetuada nas frequências de SHF regulamentadas pelo órgão competente (DENTEL). Para as comunicações em microondas, foram distribuídas faixas com frequência centrais de 2 GHz, 6 GHz, 7 GHz, 7,5 GHZ e 17 GHz em valores arredondados. Cada faixa tem uma determinada amplitude (largura), dentro da qual estão distribuídos os canais de RF. Cada canal de RF é modulado por certo número de canais telefónicos. Por exemplo, a faixa cuja frequência central é 7,575 GHz (nominalmente, 7,5 GHz) tem extremos de 7,425 GHz e 7,725 GHz; portanto, sua amplitude é de 300 MHz. Nesta faixa, estão distribuídos 24 canais de RF, sendo12 para o canal de ida e 12 para o de volta de uma comunicação bilateral (duplex). Cada um desses canais de RF pode transmitir até 960 canais telefónicos. Para minimizar interferências, a separação entre canais de RF é de 11,662 MHz. Os canais de RF estão numerados de 1 a 12 e de 1’ a 12’. A separação entre o 12 e o imediatamente superior, que é o 1’, é 23,332 MHz, já que no centro está situada a portadora principal. Tendo em vista o problema da interferência, as frequências de uma estação são arranjadas de tal maneira que a transmissão e recepção são efetuadas em canais homólogos, já que a distancia entre eles é constante e de 151,614 MHz. Assim, se a transmissão for feita no canal 4, cuja frequência corresponde a 7.470,034 MHz, a recepção será efetuada no seu homólogo, ou seja, 4’, cuja frequência é 7.621,648 MHz.
Quando se trata de repetidoras, o arranjo das frequências deve ser muito bem estudado, para evitar que haja interferências entre canais, principalmente quando houver mudança de rota ou entroncamento.

2ª Repetidora de FI
Quando não há necessidade de derivação de canais telefónicos na estação repetidora, é mais vantajoso repetir um nível de RF. O sinal recebido é, então convertido a uma frequência mais baixa (frequência intermediária), geralmente de 70 MHz, através de batimento no receptor. Em seguida é aplicado ao transmissor e convertido em frequência elevada, ou seja, na faixa de SHF, através de batimento com uma frequência gerada pelo transmissor. A vantagem desse sistema está em não haver necessidade de demodular o sinal recebido em nível de banda-base para, posteriormente, modular o transmissor. Isto reduz as perdas e o ruído. A desvantagem está na impossibilidade de acesso aos canais telefónicos.

c) Repetidora de banda-base
Por banda-base entende-se a faixa de frequência ocupada por todos os sinais transmitidos que modulam a frequência portadora; portanto, trata-se da banda formada por todas as informações multiplexadas em frequência ou no tempo. Assim nesse processo de repetição, o sinal recebido de uma direção é totalmente demodulado no receptor. Uma parte dos canais demodulados é encaminhada ao multiplexador, que a decodifica e a remete ao local e utilização. Em seguida, todos os canais restantes acrescidos daqueles provenientes do local de utilização modulam o transmissor em outra frequência. A vantagem de repetição em banda-base, em relação á repetição em FI, está na possibilidade de fazer entroncamento e derivação de rota e, principalmente, de se poder servir várias cidades ao longo da rota.

VII – Potência do transmissor
Em alta frequência, a potência do equipamento não precisa ser muito elevado, como acontece com as emissões de ondas médias e curtas. Quanto mais alta a frequência, menor é a potência necessária para se cobrir a mesma distância. Como as comunicações em microondas são estabelecidas em SHF, a potência do transmissor é pequena. Também contribui para o uso de pequena potência a grande diretividade e o elevado ganho da antena receptora. Por isso, em 7,5 GHz, a potência do transmissor é limitada em cerca de 0,5 W, o que possibilita o emprego de semicondutores. Para menores frequências de potência. Em 6 GHz, por exemplo, emprega-se transmissor de 5 W e assim por diante.

José António Flor de Sousa


Última edição por joseflor em Sex 12 Dez 2008 - 6:58, editado 5 vez(es)
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Curso de electrónica - parte 22 Microondas e UHF

Mensagem  joseflor em Qui 4 Dez 2008 - 6:27

VIII – Antena
Nas comunicações em microondas é de fundamental importância a antena que funciona tanto como elemento irradiante (transmissão) como absorvente (recepção). Já afirmamos que deverá ser de grande diretividade e ganho. Além disso, deve ter boa atenuação das radiações laterais, para evitar interferências que atuam em frequências próximas. Para as aplicações de alta frequência, o tipo principal é o dipolo. Este tipo de antena consta essencialmente de um condutor de comprimento igual a metade do comprimento de onda a transmitir ou receber, alimentado pelo centro, como mostramos na figura 5. o campo eletromagnético é irradiado em várias direções, porém é máxima na direção perpendicular á antena. Em microondas, a antena costuma ser associada a um elemento refletor, sendo este último um elemento passivo destinado a aumentar o ganho e a diretividade da antena. O refletor assume formas diversas segundo o tipo de sódio de irradiação geralmente se refere a esse sólido. Na figura 6, mostramos dois deles: em a, termos o refletor do tipo parabolóide de revolução; em b, o tipo em ângulo diétrico (ângulo formado por dois planos), conhecido como refletor em ângulo ou “Horn”, na denominação inglesa. O mais utilizado é o tipo parabolóide, vulgarmente chamado de parabólico. No refletor parabólico, o elemento irradiante é colocado no foco da parábola e assim as ondas incidentes propagam-se em direções paralelas, exatamente como as ondas luminosas, cuja fonte esteja situada no foco de um espelho parabólico. Uma antena de grande utilização em microondas, devido às suas características de faixa larga, foi realizada pela Siemens e é conhecida pelo nome comercial de antena cassegrain. Por analogia com a ótica, o elemento irradiante (antena) também costuma ser chamado de iluminante.


Figura 5


Figura 6


XI – As comunicações via satélite
Não é fácil citar exemplos aplicações para os satélites de comunicação: as transmissões de televisão intercontinentais , o trafego telefónico internacional, as redes para comunicação de dados entre os computadores de bancos ou de grandes empresas, o acesso da telefonia e da televisão a locais de difícil infraestrutura como a Amazónia, etc. A comunicação por satélite é, na verdade, apenas um caso particular da comunicação por rádio, com características especiais que podem ser observadas na figura 7. um sinal enviado por uma estação transmissora na Terra é recebido pelo satélite e retransmitido para a Terra. Porém, esta retransmissão não é para apenas um ponto de recepção, mas sim para toda uma área de cobertura do satélite. Portanto, o satélite se trata de uma estação retransmissora ou repetidora em órbita da Terra, e um sinal por ele recebido é praticamente distribuído para toda uma área, o que significa que este sinal poderá ser recebido por estações em quaisquer pontos dessa área.
O satélite é designado por Segmento Espacial e as estações em Terra de Segmento Terrestre. A transmissão da Terra para o satélite é conhecida como link de subida e a frequência das ondas eletromagnéticas usadas para esta transmissão é a frequência de subida. Ao contrário, quando nos referimos à transmissão do satélite para a Terra, utilizamos as expressões link de descida e frequência de descida. É interessante ainda citar algumas siglas, pelas quais muitas vezes se referenciam alguns equipamentos, e que são apenas abreviações de denominações em inglês:
LNA: Low Noise Amplifier – amplificador de baixo ruído
LNC: Low Noise Converter – amplificador de baixo ruído + conversor de descida
PA: Power Amplifier – amplificador de potência
HPA: High Power Amplifier – amplificador de alta potência


Figura 7


Frequências utilizadas
A faixa de frequência mais tradicional nas comunicações por satélite é a chamada banda C, que utiliza 6 GHz como frequência de subida e 4 GHz como frequência de descida. Entretanto, já é também comum o uso da frequência de 14 GHz para a subida, em conjunto com 11 ou 12 GHz para descida, e faixas cada vez mais altas começam a ser utilizadas, como 20/30 GHz. UIT União Internacional das Telecomunicações já alocou frequências desde 0,5 GHz até 275 GHz para os diversos serviços via satélite. Há cuidados especiais quanto à definição da potencia permitida em cada faixa,evitando-se interferências de uma ligação satélite com outra ou com enlaces de microondas terrestres.

A órbita do satélite
O tipo de órbita mais utilizado é a órbita síncrona equatorial ou órbita geoestacionária. Nesse tipo de órbita, o satélite, localizado sobre a linha do Equador e a uma altitude de aproximadamente 36.000 Km, dá uma volta em torno da Terra a cada 24 horas. Ora, este é também o tempo que a Terra leva para dar uma volta em torno de si mesma, o que significa que com esse período de rotação o satélite dá ao observador na Terra a impressão de estar parado.

O que é o UHF
Reafirmando, a faixa de UHF, que compreende os canais 14 a 83, abrange frequências que variam de 300 MHz a 3 GHz. Os canais desta faixa ocupam as frequências dadas na tabela II. Esta faixa tem 2.700 MHz de largura e poderia abrigar mais de 450 canais de TV, se fosse totalmente ocupada por esta modalidade de transmissão. No entanto, como existem frequências destinadas a outros serviços, apenas a faixa que vai de 470 MHz a 890 MHz é ocupada pelos canais de TV. A diferença básica entre os sinais das duas faixas, VHF e UHF, está na frequência e, consequentemente, nos comprimentos de onda, já que o tipo de informação que eles transportam é a mesma. No entanto, o comportamento de uma onda eletromagnética depende também de sua frequência, ocorrendo, em relação às duas faixas, pequenas diferenças que implicam em cuidados especiais por parte de quem transmite e de quem deseja recebe-las.


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