Curso de electrónica - parte 22 Microondas e UHF

Introdução à 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 electromagnéticas 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 baptizadas 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 tráfego 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 espectro 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
ELF	3Hz a 30Hz	100000 km a 10000 km	--
SLF	30Hz a 300Hz	10000 km a 1000 km	--
ULF ou VF	300Hz a 3kHz	1000 km a 100 km	--
VLF	3 kHz a 30 kHz	100 km a 10 km	Ondas miriamétricas
LF	30 kHz a 300 kHz	10 km a 1 km	Ondas kilométricas
MF	300 kHz a 1,65 MHz	1 km a 182 m	Ondas médias
IF	1,65 MHz a 3 MHz	182 m a 100 m	Ondas intermédias
HF	3 MHz a 30 MHz	100 m a 10 m	Ondas curtas
VHF	30 MHz a 300 MHz	10 m a 1 m	Ondas métricas
UHF	300 MHz a 3000 MHz	1 m a 10 cm	Ondas decimétricas
SHF	3 GHz a 30 GHz	10 cm a 1 cm	Ondas centimétricas
EHF	30 GHz a 300 GHz	10 mm a 1 mm	Ondas milimétricas

Tabela 1

II – O que são microondas
Como se conclui de sua denominação, a microonda é uma onda electromagnética cujo comprimento é bastante pequeno, ou seja, entre 1 a 10 cm. Situa-se, portanto, na região das frequências super-altas (SHF – Super Hight Frequency), cujo espectro 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 condensadores, indutores, etc., não poderão ser utilizados. Basta verificar, por exemplo, que um indutor de 1 ?H em GHz terá reactância indutiva de 62800?, aproximadamente, e um condensadorde 1 pF terá reactância capacitiva de cerca de 15,3 ?, 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 directa 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 directamente 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 ópticas de propagação, é justo esperar-se que o fenómeno da difracção também seja verificado e, de fato, assim se dá. Baseado no princípio da difracção, 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, actua como pequenas fontes, cuja emissão atinge a antena que está oculta para a visão directa.

Figura 2

3ª Difusão
O fenómeno da difusão óptica 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 refracções, 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 electromagnéticas 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 afectado pela propagação dentro da atmosfera e diferentemente, de acordo com o tipo de propagação utilizado. Assim é que, nas ligações em visão directa, as comunicações são afectadas por chuvas intensas, pelas reflexões terrestres ou da troposfera etc.; nas ligações por difracção, além das condições meteorológicas, também influi no “fading”, índice de refracção do ar perto do solo; as ligações por tropodifusão são perturbadas pela variação do índice de refracção 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 reflectidos pelo solo ou por obstáculos. Algumas vezes, acontece de o raio reflectido atingir o receptor com fase invertida em relação ao directo 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 directa. A onda atinge a antena do receptor por dois caminhos: um directo e outro reflectido pela superfície do lago. Essa onda reflectida introduzirá perdas ou o cancelamento da onda directa. 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 directo e reflectido 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 direcção 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 efectuada por uma das três maneiras:

1ª No plano de frequência de RF
No denominado plano de frequência, a interligação é efectuada 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 efectuadas 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 efectuada 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 direcção 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 à 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 directividade 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