FREQUÊNCIA MODULADA Resumo: O objetivo deste trabalho é

CENTRO DE ENSINO SUPERIOR DOS CAMPOS GERAIS – CESCAGE
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3ª Edição/Jan – Jul de 2011
ISSN 2178-3586
UTILIZAÇÃO DE ANTENAS DE POLARIZAÇÃO VERTICAL EM EMISSORAS DE
FREQUÊNCIA MODULADA
USE OF VERTICAL ANTENNA POLARIZATION IN FREQUENCY MODULATED
STATIONS
Paulo Jorge Kloth1; Paulo Jayme Pereira Abdala2
Centro de Ensino Superior dos Campos Gerais - CESCAGE – Ponta Grossa – Brasil
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2
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1
Resumo: O objetivo deste trabalho é apresentar as vantagens da utilização do
sistema irradiante com polarização vertical em substituição ao sistema
irradiante de polarização circular, normalmente utilizado pelas estações de
freqüência modulada na faixa de VHF. O sistema irradiante com feixe de
energia eletromagnética em apenas uma polarização permite a obtenção de
mesma potência irradiada com a metade do número de elementos do sistema
circular tradicional. Um sistema irradiante com menor número de elementos
gera um menor índice de nulos, fator altamente positivo em seu favor, aliado a
isto a maioria dos sistemas receptores de hoje se adaptam melhor a recepção
da onda com polarização vertical. Outra vantagem do sistema de polarização
vertical é o seu custo inferior ao sistema convencional. As análises foram feitas
a partir de dados teóricos, estudos anteriores feitos em outros países e
constatações de ordem prática em campo realizadas na faixa de freqüência de
VHF, o que resultou na implantação de um sistema experimental.
Palavras-chave: antena, sistema irradiante, polarização, rádio fm.
Abstract: The aim of this paper is to present the advantages of using the radiating
system with vertical polarization instead of the radiating system of circular polarization,
typically used by frequency modulation stations in the VHF band. The radiating system
with a beam of electromagnetic energy in only one polarization allows us to obtain the
same radiated power with half the number of elements of the traditional circular
systems. A radiating system with fewer elements generates a lower rate of zero, highly
positive factor in its favor, together with that most receptor systems today are better
suited to receive the wave with vertical polarization. Another advantage of the system
of vertical polarization is its lower cost than conventional systems. Analyses were made
from theoretical data, previous studies in other countries and finding practical field held
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in the VHF frequency range, which resulted in the deployment of an experimental
system.
Key-words: antenna, radiating system, polarization, radio fm.
1. INTRODUÇÃO
O sistema irradiante é o ponto mais importante no quesito alcance para
todo sistema de transmissão que utilize ondas de rádio (HALÁSZ,1993). A
prática corrente nas emissoras de frequência modulada em VHF é o emprego
do sistema irradiante de polarização cruzada ou circular, o qual divide o sinal
oriundo do transmissor em duas parcelas, irradiando uma em polarização
horizontal e outra em polarização vertical(FCC, 2009).
Em nosso país a
legislação permite a utilização de uma única polarização ou em ambas
(ANATEL, 1998).
As emissoras de frequência modulada utilizaram no início das
transmissões exclusivamente polarização horizontal. Nesta época não existiam
receptores portáteis ou receptores móveis em veículos, as antenas receptoras
eram externas e instaladas a grande altura. Com o advento dos receptores em
veículos iniciou-se a utilização da polarização circular, para promover também
irradiação com polarização vertical, visto que as antenas móveis eram verticais.
(BLANK, 1998)
Dividindo-se o sinal em horizontal e vertical, promove-se uma
defasagem de 90 graus entre ambos, e se a divisão for feita exatamente por
dois, tem-se a polarização circular, caso as componentes horizontais em
verticais
não
sejam
exatamente
iguais
tem-se
uma
polarização
elíptica.(BALANIS, 1989).
A partir da década de 60 a polarização circular tornou-se um padrão e
seu uso sempre foi justificado por esse sistema apresentar um melhor
resultado com relação ao desvanecimento do sinal, em casos de múltiplos
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percursos. Esse fenômeno é típico na frequência de VHF e pode ser percebido
quando se capta uma emissora de FM em um automóvel em movimento. Ao se
reduzir a velocidade – nas proximidades de um semáforo, por exemplo – o
sinal da emissora some e num momento seguinte, poucos metros adiante, o
sinal retorna. Esse é, comprovadamente, o único argumento favorável ao
sistema circular.
O problema do desvanecimento, entretanto, só é significativo quando o sinal é
fraco. Sendo assim, se for conseguido elevar o sinal através da emissão em uma
única polarização, o efeito será minimizado consideravelmente.
Com a emissão em apenas uma polarização e mantendo-se o número de
elementos do sistema irradiante haverá aumento de sinal, oferecendo à emissora uma
maior área de abrangência. Isto irá propiciar à mesma uma maior possibilidade de
receita, tendo em vista o aumento do número de ouvintes, o que é bastante
significativo quando da negociação com anunciantes.
Outro ponto bastante relevante desse aumento é o fato de que, embora haja
aumento da potência efetiva irradiada (ERP), isto não implicará em aumento do
consumo de energia elétrica, um insumo de alto custo para o setor de radiodifusão.
2. DESENVOLVIMENTO
As ondas de rádio em VHF (30 – 300 MHz) têm um comportamento análogo ao
de um feixe de luz, e, desta forma, os obstáculos de grandes dimensões, entre a
antena transmissora e a antena receptora, impõem uma significativa redução de sinal.
Entretanto, as ondas em VHF – devido à presença da atmosfera – possuem uma
melhor característica de se refratarem e, desta forma, conseguem contornar os
obstáculos (NAB, 2007).
Esta refração só ocorre quando o sinal tem intensidade significativa. Por esse
motivo, normalmente o sinal só consegue ultrapassar a primeira grande elevação
entre a antena transmissora e a receptora. Sendo a segunda grande elevação distante
da primeira, o sinal dificilmente a ultrapassará.
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Pelo seu baixo comprimento de ondas (da ordem de 3 metros), a ionosfera não
consegue refletir de volta à terra o sinal das freqüências de VHF, como ocorre com as
ondas curtas (ARRL, 1987).
Este processo de propagação das ondas de rádio em VHF é o que ocorre
durante a maior parte do tempo. Existem momentos esporádicos no qual o
sinal consegue ser conduzido por um duto formado nas altas camadas da
troposfera e retorna a terra, permitindo sua recepção em pontos bem mais
distantes, da ordem de 100 a 600 km, tais qual mostrado na figura 1.
Figura 1 – Rastro deixado por avião a jato (Fonte: Mauricio Mayrinck Falcão)
Tal fenômeno ocorre coincidentemente nos dias em que os aviões a jato,
que trabalham em altitudes próximas a 10 km, deixam rastros longos no céu.
os quais permanecem por um grande período.
Desta forma, a parcela de interesse da propagação em VHF, para as
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emissoras de radiodifusão, se restringe às ondas que viajam a pequena altura
em relação ao solo.
Relatou-se até este momento o percurso das ondas da antena
transmissora até a chegada na antena do receptor, neste ponto surge novo
argumento em relação à utilização do sistema proposto, a absoluta maioria dos
receptores está apta a captar a onda eletromagnética em apenas uma
polarização e a prática corrente é deixar a antena receptora em um ângulo de
45 graus com a horizontal, sendo assim pode-se ter outra perda de sinal a qual
irá ser mensurada na parte prática deste trabalho.
Pelos motivos vistos anteriormente, verifica-se que, para ser obtido o
maior alcance, é necessário dispor da maior potência irradiada e que, nos
primeiros trechos, ocorram os menores índices de nulo do sistema irradiante e
também que a antena receptora esteja em posição correta para conseguir a
maior eficiência (SADIKU, 1994).
Medições de campo levadas a efeito pelo autor em conjunto com o
Grupo de VHF dos Campos Gerais – GVHFCG nos anos de 2005 e 2007,
figura 2, mostraram que a polarização do sistema irradiante na horizontal é
indicada para transmissão e recepção dos sinais em distâncias elevadas, e que
esta polarização sofre grande influência das variações atmosféricas, o que gera
o fenômeno do desvanecimento dos sinais, sendo assim não indicada para a
radiodifusão.(GVHFCG, 2011).
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Figura 2 – Teste de antenas GVHFCG junho de 2007 (Fonte: Mauricio Mayrinck Falcão)
Por outro lado, o sistema de polarização vertical tem um desempenho
superior em relação ao desvanecimento dos sinais, causados pela atmosfera,
em distâncias
de algumas
dezenas
de quilômetros.
Tal sistema é
particularmente interessante nos casos de receptores instalados em veículos,
uma vez que a antena receptora, neste caso, é colocada quase sempre na
vertical ou em posição próxima a esta (BBC, 1986). A disposição da antena em
posição que não seja a vertical prejudica de maneira severa a recepção de
outras faixas de onda nos veículos.
Há certa controvérsia na literatura a respeito da utilização da antena com
polarização horizontal em relação à recepção de sinais na faixa de VHF.
Alguns textos relatam perda de sinal e outros, acréscimo de sinal com esta
polarização. Tais pontos de vista opostos tem explicação, pois dependendo da
altura da antena receptora, da distancia entre a estação receptora e a
transmissora, e também da diferença de altura entre ambas, podemos ter
perda ou acréscimo de sinal (ORR e COWAN 1993).
Como é de conhecimento da teoria, toda antena colocada nas
proximidades de uma superfície condutora – para o caso das freqüências de
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VHF a terra cumpre este papel – formará uma parte imaginária sua no outro
lado da superfície, o mesmo fato que ocorre quando se forma uma imagem
nossa em um espelho (LIMA, 2002). Surge assim um conjunto em antiparalelo
para uma antena horizontal, ao passo que para a antena vertical a imagem
continuará em fase com a antena real (ARRL, 1960).
O conjunto em antiparalelo, também chamado de interferômetro,
causará alguns pontos nos quais o sinal deixa de ser recebido, a quantidade e
a localização destes nulos dependerá da distância entre a antena real e sua
imagem (ARRL, 1987).
Neste
momento,
tornou-se
imprescindível
fazer
uma
medição
determinando a possível perda de sinal ocorrida em uma antena receptora com
relação a fontes de sinais com polarização cruzada e vertical, sendo a posição
da antena receptora na horizontal, a 45 graus e totalmente na vertical.
Efetuadas as medições encontramos os valores da tabela 1 para uma
altura de 2 metros da antena e da tabela 2 para uma altura de 9 metros,
respectivamente 0,67 e 3λ.
Tabela 1 – Medições a 2 metros do solo
Tipo x distância
Recepção
vertical
Vertical - 2,8 km
25 mV
Circular - 0,9 km
24 mV
Circular - 19 km
1,3 mV
Circular - 2,8 km
8 mV
Fonte: Pesquisa de campo (2011)
Recepção 45º
Recepção horizontal
16 mV
8 mV
2,2 mV
6 mV
5,8 mV
2,5 mV
1,5 mV
3 mV
Tabela 2 – Medições a 9 metros do solo
Tipo x distância
Recepção vertical
Vertical - 2,8 km
240 mV
Circular - 0,9 km
200 mV
Circular - 19 km
23 mV
Circular - 2,8 km
55 mV
Fonte: Pesquisa de campo (2011)
Recepção 45º
160 mV
150 mV
19 mV
40 mV
Recepção horizontal
130 mV
70 mV
22 mV
12 mV
Analisando os valores obtidos percebe-se o acréscimo devido à
elevação da antena e também a menor influência da reflexão no solo para a
medição horizontal. A antena a 45º apresentou vantagem numa única medição,
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o mesmo ocorrendo para a horizontal, sendo o melhor desempenho obtido na
quase totalidade pela vertical.
Durante as medições decidiu-se variar a altura da antena mantendo a
mesma na horizontal ou vertical, conforme o caso. Desta forma observa-se
com a variação da altura, que em ambas as posições ocorrem variações de
sinal, entretanto a antena horizontal é bem mais influenciada com estas
variações. As medições em VHF são muito afetadas pelo solo e por reflexões
de objetos próximos (ORR e COWAN 1993).
A partir dos estudos iniciais e dos dados obtidos em campo foi possível
sugerir ao proprietário de uma nova emissora a ser instalada a configuração
vertical para o sistema irradiante. Tal emissora é da classe C, a qual visa
apenas a cobertura local do município de instalação, uma vez que opera com
pequena potência, 300W ERP (ANATEL, 1998).
Como o transmissor escolhido, neste caso, também era de 300W, se
fosse utilizado o sistema convencional circular seriam necessários dois
elementos. No caso do sistema vertical, apenas um elemento irradiante supriu
o ganho necessário.
A vantagem obtida foi a não existência do primeiro ponto de nulo, que
seria causado se o sistema de dois elementos fosse utilizado. Embora a
implantação seja recente, e em local não muito elevado, observou-se um ótimo
desempenho do sistema. Utilizando um veículo com antena de recepção na
vertical, a emissora foi acompanhada em uma rodovia, sem nenhuma queda de
sinal, até uma distância de 45 km, distância esta bem superior ao que se obtém
normalmente.
3. CONCLUSÃO
Nas últimas décadas as características dos receptores de FM mudaram
drasticamente, passou-se do receptor valvulado de mesa com antena externa
instalada no topo das edificações, para os receptores em veículos e também
receptores portáteis.
Em nossos dias, uma grande parcela dos receptores encontra-se
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incorporada aos telefones celulares, muitos dos quais tem sua antena em
conjunto com a fiação de ligação aos fones de ouvido. Esta nova configuração
dos receptores é, sem dúvida, mais um fator a ser levado em conta com
relação ao sistema irradiante das emissoras, pois estes novos equipamentos
terão maior eficiência com a configuração vertical.
Verificou-se ao longo de nosso trabalho que há necessidade de um
aprofundamento maior em estudos e medições para que se obtenham
melhores parâmetros de comparação. Há que se levar em conta às
peculiaridades dos relevos onde se pretenda fazer as implantações, tendo em
vista o atendimento dos novos equipamentos de recepção e principalmente
com relação à digitalização do sistema que deve vir em seguida.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AGENCIA NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES – ANATEL – Regulamento Técnico
para Emissoras de Radiodifusão Sonora em Frequência Modulada, Disponível em:
<http://www.mc.gov.br/images/radiodifusao/legislacao/sonora/frequencia-moduladafm/RESOLUCaO-No-67---DE-12-DE-NOVEMBRO-DE-1998.pdf>
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BALANIS, C. A. , Advanced Engineering Electromagnetics, 6 ed, Tempe: John Wiley &
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Disponível em : <http://www.grupovhfcg.com.br/pages/tecnica_mat02.htm> Acesso
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LIMA, A. C. DE C., Fundamentos de Telecomunicações – Teoria Eletromagnética e
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SADIKU, M. N. O., Elements of Electromagnetism, 2 ed, Fort Worth : Saunders
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