UFSM-CTISM Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Projeto de Redes sem Fio Aula-02 Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício Professor: Andrei Piccinini Legg Santa Maria, 2012 Onda Elétromagnética Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício Campo elétrico Campo magnético Onda Elétromagnética Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício Campo elétrico Campo magnético Propagação das ondas Elétromagnéticas Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício A propagação de radiofrequência pode ocorrer nos meios físicos sólido, líquido, gasoso, no vácuo e no plasma. Propagação direta (com visada direta) Quando o receptor enxerga o transmissor em qualquer ambiente, meio, no vácuo, ou em ambos. Propagação Indireta (sem visada direta) Pode ser por diversas vias: Refração, reflexão ou condução, entre outras. Princípio de Huygens Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício O Princípio de Huygens estabelece que cada ponto em uma frente de onda funciona como uma fonte de ondas secundárias (elementares), que comporão a frente de onda em uma nova posição ao longo da propagação. Princípio de Huygens Observem a figura abaixo onde a frente de onda encontra um obstaculo: Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício Se analisarmos a propagação sem o princípio de Huygens, ou sem qualquer outra maneira de se considerar a difração, toda a região situada atrás do obstáculo não será iluminada (região de sombra). Princípio de Huygens Observem a figura abaixo onde a frente de onda encontra um obstaculo: Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício Porém, considerando a difração na análise, como feito através do princípio de Huygens, as fontes puntuais da região não obstruída emitirão frentes de onda secundárias que iluminarão a região situada atrás do obstáculo. Princípio de Huygens Observem a figura abaixo onde a frente de onda encontra um obstaculo: Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício Diz-se que a energia foi, então, difratada. Uma análise através da teoria eletromagnética mostra que a onda incidente induz correntes no obstáculo e que o campo irradiado por essas correntes constitui-se no campo difratado. Zonas e Elipsóides de Fresnel Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício As frentes de onda oriundas de cada irradiador secundário percorrem distâncias distintas até alcançarem o ponto de observação O. Zonas e Elipsóides de Fresnel Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício A análise da defasagem entre os campos associados aos diversos percursos gera o conceito das Zonas de Fresnel. Zonas e Elipsóides de Fresnel Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício A diferença de fase entre quaisquer dois percursos é dada por 2π λ ∆l, onde ∆l é a diferença de comprimento entre os percursos considerados. Zonas e Elipsóides de Fresnel Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício Dessa forma, dependendo do caminho percorrido, cada fonte secundária dará uma contribuição positiva ou negativa ao campo recebido em O. Zonas e Elipsóides de Fresnel Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício O procedimento de se considerar os percursos como sendo oriundos do plano, bem como os cálculos seguintes, são válidos quando se obedece, na geometria ilustrada, h << d1 , d2 , com (d1 + d2 ) denotando a distância entre transmissor e receptor. Zonas e Elipsóides de Fresnel Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício h é o raio de uma circunferência sobre o plano, centrada no ponto A. A diferença de comprimento entre um percurso que passa por A e um percurso que passa por qualquer outro ponto da circunferência de raio h é: ∆∼ = h 2 d1 + d2 , h << d1 , d2 2 d1 d2 Zonas e Elipsóides de Fresnel Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR A diferença de fase entre os percursos é dada por: Exercício ∆φ = 2π h2 d1 + d2 2π ∆= λ λ 2 d1 d2 Zonas e Elipsóides de Fresnel Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício Denominando ν=h s 2(d1 + d2 ) λd1 d2 ∆φ = π 2 ν 2 Zonas e Elipsóides de Fresnel Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício conclui-se que qualquer ponto situado na superfície de um elipsóide dista do ponto O de um valor que é n λ2 (n ∈ N) maior que o percurso oriundo de A. s nλd1 d2 h = rn = 2(d1 + d2 ) rádio–enlaces Propagação Princípio de Huygens Considerem o enlace de rádio, formado por uma antena transmissora e uma antena receptora separadas por uma distância r . PR PT Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Tx Densidade de potência radiada Rx r Potência recebida – PR Figura: Transmissão sem fio – rádio enlace Exercício Sejam: PT = potência transmitida PR = potência recebida DT = diretividade da antena transmissora DR = diretividade da antena receptora AET = abertura efetiva da antena transmissora AER = abertura efetiva da antena receptora Propagação Considerações: Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel As antenas são sem perdas (η = 1) Zonas e Elipsóides de Fresnel η= Zonas e Elipsóides de Fresnel potência radiada potência total aplicada (1) Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício As polarizações das antenas estão casadas (Fator de Casamento de Polarização, FCP = 1) FCP = potência recebida potência máxima possível recebida (2) Densidade de potência radiada Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Antena isotrópica, que radia potência igualmente em todas as direções (onda esférica): S= Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício PT 4πr 2 (3) Para uma antena qualquer: DT PT (4) 4πr 2 Onde DT é a diretividade da antena definida como capacidade da antena de direcionar a potência radiada. Para um dipolo de meia onda DT = 1, 64 S= Potência recebida – PR Propagação PR = SAER Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel (5) Da equação 4 e da equação 5, Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel PR = Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício mas DT AER PT 4πr 2 (6) AE λ2 = , (7) D 4π onde AE = é a abertura (área) efetiva da antena, razão entre a potência recebida e a densidade de potência média incidente. Propagação Das equações 6 e 7 obtém-se a equação fundamental para o cálculo de rádio-enlaces no espaço livre: Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR λ 2 ) PT , (8) 4πd denominada fórmula de Friis para antenas sem perdas. Pr (d ) = Dt Dr ( Ou, em termos de ganhos (G = ηD): Exercício λ 2 ) PT , 4πd fórmula de Friis (antenas sem perda) para antenas quaisquer. Pr (d ) = Gt Gr ( (9) Exercício Propagação Princípio de Huygens Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Zonas e Elipsóides de Fresnel Densidade de potência radiada Potência recebida – PR Exercício Se um transmissor produz 50 Watts de potência, expresse a potência transmitida em de dBm, e dBW. Se 50 Watts é aplicado a uma antena de ganho unitário com uma freqüência de portadora de 900MHz, ache a potência recebida em dBm no espaço livre a uma distância de 100 metros da antena. Assuma o ganho da antena receptora como sendo igual a unidade.