Charles de Jesus Costa Pereira Maria Carolina Vilar Lessa€¦ · Maria Carolina Vilar Lessa Estudo da re etividade de ondas eletromagn eticas na presenca de areia Trabalho de Conclus~ao

Universidade Federal Fluminense

Escola de Engenharia

Curso de Graduacao em Engenharia de

Telecomunicacoes

Charles de Jesus Costa Pereira

Maria Carolina Vilar Lessa

Estudo da refletividade de ondas eletromagneticas na

presenca de areia

Niteroi – RJ

2019

i



Estudo da refletividade de ondas eletromagneticas na presenca de areia

Trabalho de Conclusao de Curso apresentado ao

Curso de Graduacao em Engenharia de Teleco-

municacoes da Universidade Federal Fluminense,

como requisito parcial para obtencao do Grau de

Engenheiro de Telecomunicacoes.

Orientador: Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira

Niteroi – RJ

2019

ii

iii



Estudo da refletividade de ondas eletromagneticas na presenca de areia

Trabalho de Conclusao de Curso apresentado ao

Curso de Graduacao em Engenharia de Teleco-

municacoes da Universidade Federal Fluminense,

como requisito parcial para obtencao do Grau de

Engenheiro de Telecomunicacoes.

Aprovada em 12 de Dezembro de 2019.

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira - Orientador

Universidade Federal Fluminense - UFF

Prof. Dr. Pedro Vladimir Gonzalez Castellanos - Coorientador


Profa. Dra. Leni Joaquim de Matos


Profa. Dra. Vanessa Przybylski Ribeiro Magri Souza


Niteroi – RJ

2019

iv

Resumo

A evolucao das tecnologias de comunicacao sem fio ao longo dos anos significou

uma mudanca de paradigmas para toda a sociedade. Com ela, surgiram novos habitos e

novas formas do ser humano lidar com o mundo que o cerca, e todas essas mudancas tor-

naram necessaria a expansao das redes de transmissao para locais onde antes nao existia

a necessidade de cobertura. Devido a isso, tornou-se cada vez mais necessario o estudo

do comportamento de ondas eletromagneticas em diferentes ambientes. Este trabalho

final de curso aborda o estudo do comportamento da refletividade de ondas eletromag-

neticas na presenca de um ambiente com areia para diferentes faixas de frequencia, alem

de discutir sobre alguns efeitos provenientes da teoria de propagacao ja consolidada. O

objetivo deste projeto e demonstrar, atraves de experimentos realizados em ambiente in-

door, o comportamento absorvedor da areia quando se encontram sinais provenientes de

transmissoes de radiocomunicacao expostos a ela. Este material torna-se, entao, respon-

savel por atenuar parte do sinal refletido, reduzindo os efeitos de multipercurso. Para

os experimentos realizados em ambiente fechado, sao utilizados dois sinais na faixa de

gigahertz, com frequencias de 1,5 GHz e 3,5 GHz, com o intuito de observar o comporta-

mento para diferentes faixas de frequencia quando expostas ao mesmo tipo de ambiente

composto por areia, em diferentes distancias entre a transmissao e a recepcao do sinal. A

analise dos resultados obtidos sintetiza a teoria abordada e a relaciona com os dados pro-

venientes das medicoes no cenario de teste, formando assim a compreensao deste trabalho.

Palavras-chave: Reflexao. Propagacao. Refletividade na areia. Atenuacao. Espalha-

mento.

v

Abstract

The evolution of wireless communication technologies over the years has meant a

paradigm shift for the entire society. With it, new habits came and new ways for humans

to deal with the world around them, and all these changes made it necessary to expand

transmission networks to places where there was no need for coverage before. Due to

this, it became increasingly necessary to study the behavior of electromagnetic waves in

different environments. This final course work discusses the behavior of the reflectivity

of electromagnetic waves in the presence of a sand environment for different frequency

ranges, and also discusses some effects from the already established propagation theory.

The aim of this project is to demonstrate, through experiments performed in the indoor

environment, the sand absorbing behavior when signals coming from radio communicati-

ons exposed to it are found. This material then becomes responsible for attenuating part

of the reflected signal, reducing the multipath effects. For experiments performed indoors,

two signals are used in the gigahertz band, with frequencies of 1.5 GHz and 3.5 GHz, in

order to observe the behavior for different frequency bands when exposed to the same

type of sand environment, at different distances between the transmission and reception

of the signal. The analysis of the results obtained synthesizes the theory and relates it to

the data from the measurements in the test scenario, thus forming the understanding of

this work.

Keywords: Reflection. Propagation. Reflectivity in the sand. Attenuation. Scattering.

vi

Agradecimentos

Esta parte do trabalho, mesmo nao tendo nenhum valor para a nota final, e sem

duvidas uma das partes mais importantes, pois e aqui que temos a honra e a oportunidade,

mesmo que por um breve momento, de agradecer um pouco a todos que, de diversas formas

diferentes, nos forneceram apoio e suporte ao longo de toda essa trajetoria.

Primeiro, eu gostaria de agradecer ao meus pais por todo apoio e por sempre acre-

ditarem em mim. Gostaria de agradecer ao meu pai por sempre abracar todas as minhas

ideias de estudar e nunca em nenhum momento cogitar desistir devido as dificuldades e

barreiras que apareceram. Gostaria de agradecer a minha mae por sempre brigar comigo

pra ir estudar para as provas, por sempre abaixar o volume da TV, sorrateiramente, para

que eu nao percebesse, quando via que eu estava estudando e por sempre me acordar de

manha dizendo que eu ia me atrasar pra escola.

Gostaria de agradecer tambem a todos os professores e mestres, ao longo de toda

minha vida academica, que tive a honra de conhecer e o privilegio de poder aprender um

pouco de sua sabedoria. Agradeco a cada um deles por ser parte importante em cada

parcela que ajudou a construir e alcancar quem sou hoje.

Agradeco a UFF por todas as oportunidades que me deu, por todas as amizades

que fiz e por todas as experiencias que me proporcionou.

Gostaria de agradecer tambem a Carol que me aturou por todos esses anos e que

topou embarcar nessa ideia maluca de fazer esse ultimo trabalho comigo.

Por fim, gostaria de agradecer profundamente ao professor Tadeu por toda paci-

encia e suporte que nos deu em ao longo de todo trabalho e que mesmo passando por um

momento delicado, jamais nos ignorou ou deixou de nos ajudar. Professor, gostaria que o

senhor soubesse que isso jamais sera esquecido.

Charles de Jesus Costa Pereira.

vii

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer aos meus pais por todo apoio moral

e financeiro concedidos a mim durante esse tempo de graduacao. Todas as caronas e

lanchinhos no meio dos estudos foram essenciais para me fazer seguir em frente. Eles

sempre me ensinaram sobre a importancia dos estudos, entao todo meu compromisso e

persistencia provem de seus ensinamentos.

Aos amigos da faculdade que trilharam esse longo e sinuoso caminho ao meu lado,

meu muito obrigada, tambem. Obrigada por todas as risadas, todas as infinitas horas de

estudo, os trabalhos em grupo e os desesperos pre-prova. Obrigada, tambem, por sempre

me acalmarem e dizer que vai dar tudo certo. Tenho muita sorte de ter conhecido tanta

gente bacana e competente nesses ultimos anos, torco muito por todos voces. Aqui vai um

agradecimento especial ao meu parceiro de TCC, que tambem e meu amigo desde 2014

e me ajudou muito a chegar aonde chegamos, mesmo as vezes me dando alguns motivos

para ”querer mata-lo”.

A UFF que, alem dos estudos em sala de aula, me proporcionou a oportunidade de

participar de projetos incrıveis, os quais sempre levarei no coracao, alem das experiencias

adquiridas.

Ao meu namorado, o homem mais carinhoso, respeitador e incentivador que ja

conheci. Obrigada por ser meu fa numero um.

Por fim, agradeco tambem aos professores do Departamento de Tele que sempre

deram seu melhor para nos passar seus ensinamentos, em especial nosso orientador, Ta-

deu, sempre atencioso, compromissado e gentil conosco.

Maria Carolina Vilar Lessa.

viii

Lista de Figuras

2.1 Exemplo de Desvanecimento em pequena e larga escala. . . . . . . . . . . . 7

2.2 Exemplo de raio refletido e raio refratado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 (a) Onda refletida com campo eletrico paralelo ao plano de incidencia e (b)

Onda refletida com campo eletrico perpendicular ao plano de incidencia. . 11

2.4 Modelo de dois raios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.5 Espalhamento de um sinal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.6 Camara anecoica Compact Payload Test Range utilizada para teste de efi-

ciencia e comportamento de antenas e satelites, localizada em Noordwijk,

na Holanda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1 Ilustracao dos cenarios presentes no experimento. . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2 Gerador de sinais MG3700A da Anritsu utilizado no experimento . . . . . 24

3.3 Analisador de espectro MS2034A da Anritsu utilizado no experimento . . . 24

3.4 Antena omnidirecional Celta utilizada no experimento (frequencia de 1,5

GHz) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.5 Antena diretiva impressa utilizada no experimento (frequencia de 3,5 GHz) 25

3.6 Representacao esquematica do experimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.7 Ambiente real do experimento para a frequencia de 1,5 GHz . . . . . . . . 27

3.8 Ambiente real do experimento para a frequencia de 3,5 GHz . . . . . . . . 27

4.1 Grafico relativo aos dados encontrados na frequencia de 1,5 GHz . . . . . . 30

4.2 Grafico relativo aos dados encontrados na frequencia de 3,5 GHz . . . . . . 32

4.3 Grafico de comparacao do sinal recebido na presenca da areia para as dife-

rentes frequencias (cenario 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Sumario

Resumo iv

Abstract v

Agradecimentos vi

Lista de Figuras viii

1 Introducao 1

1.1 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Resumo dos Capıtulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Conceitos Basicos de Propagacao 5

2.1 Perda de Percurso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Reflexao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.1 Coeficiente de Reflexao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2.2 Modelo de reflexao no solo (Modelo de dois raios) . . . . . . . . . . 12

2.3 Espalhamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 Camara Anecoica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3 Experimento 20

3.1 Equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2 Ambiente de Teste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4 Resultados e Analise 28

4.1 Frequencia de 1,5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2 Frequencia de 3,5 GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

ix

x

4.3 Analise referente as frequencias de 1,5 GHz e 3,5 GHz somente no cenario 3 33

5 Conclusoes 35

5.1 Trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Referencias Bibliograficas 38

Capıtulo 1

Introducao

As tecnologias que envolvem todo tipo de comunicacao a distancia estao mudando

rapidamente. E nao sao poucas as opcoes: Internet, telefone celular, teleconferencias, etc.

Com elas, e necessario que os estudos avancem na mesma velocidade destas evolucoes

tecnologicas para que seja viavel sua utilizacao da melhor forma possıvel. Assim, torna-se

plausıvel surgir o estabelecimento de novos padroes, novos desafios e novas visoes sobre o

ambiente em que as inovacoes estao inseridas.

Entender claramente o local onde esta sendo utilizada certa tecnologia e essencial

para que possamos garantir o melhor funcionamento desta. Isto inclui, dentre outras

coisas, uma analise profunda sobre os aspectos relevantes presentes naquele ambiente.

Sao estas particularidades que definem como o sistema ira se comportar e o que pode

ser feito para minimizar possıveis perdas e adversidades que possam interferir no bom

funcionamento de um projeto.

No cenario atual, e impossıvel imaginarmos a vida sem os sistemas de comunicacoes

moveis. Estamos conectados o tempo todo e em qualquer lugar, e nao ira parar por aı. A

ideia e que no futuro, alem das pessoas conectadas, estaremos habeis a conectar objetos.

Seguindo essa logica, um estudo sobre o comportamento das ondas eletromagneticas em

variadas frequencias utilizadas em diferentes tecnologias se faz extremamente necessario.

Neste projeto, medicoes sao realizadas em um ambiente indoor, com a presenca de

solo arenoso, e suas devidas observacoes sao efetuadas para que essa pesquisa possa ser

aproveitada para estudos futuros, que serao necessarios no ambito das novas tecnologias

que utilizarao frequencias em torno de alguns gigahertz.

2

1.1 Motivacao

Com a chegada da quinta geracao de telefonia movel ao mercado e com toda a

mudanca de paradigmas que ela trara, trazendo altıssimas velocidades na conexao para

dispositivos moveis e a possibilidade de suporte a um numero muito maior de dispositi-

vos conectados simultaneamente, torna-se um fator de extrema importancia a realizacao

de estudos referentes ao comportamento dos sinais propagados nessas novas frequencias

quando expostos a diferentes ambientes. As frequencias usadas serao, em sua maioria,

mais altas que as utilizadas nas geracoes anteriores, sendo algumas distribuıdas em faixas

na ordem de GHz, embora existam algumas faixas tambem na casa dos MHz. Devido

a isso, este trabalho aborda um estudo inicial sobre o comportamento das ondas eletro-

magneticas em ambientes com a presenca de superfıcies com areia, em altas frequencias,

pois locais que possuem areia, como por exemplo praias, sao bastante frequentados por

usuarios de aparelhos celulares que fazem uso desse tipo de sinal. O estudo foi realizado

abordando simulacoes em ambiente indoor e as devidas observacoes foram realizadas de

acordo com os resultados obtidos. A partir da analise dos dados coletados, serao de-

monstrados, ao longo do trabalho, diversos fatores importantes sobre o estudo de sinais

eletromagneticos e suas influencias sobre o sinal recebido, alem do comportamento desses

sinais para diferentes frequencias quando expostos a este tipo de terreno.

1.2 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo estudar os efeitos de propagacao de sinais ele-

tromagneticos quando expostos a ambientes onde o solo e coberto por areia, ja que, com

a necessidade das pessoas de estarem conectadas o tempo todo aumentando a cada dia,

novos ambientes precisam ser estudados para que seja possıvel prever os problemas exis-

tentes e melhorar a experiencia do usuario. Este estudo tem o intuito de demonstrar a

caracterıstica desse tipo de terreno de atenuar, consideravelmente, o sinal incidente de-

vido a sua composicao e as reflexoes difusas causadas por sua superfıcie nao uniforme,

colaborando assim com perda de parte do sinal transmitido. Para isso, este trabalho foi

conduzido com a intencao de realizar uma serie de testes simulando o ambiente proposto,

expondo o material arenoso em questao a sinais que se propagaram em diferentes faixas

de frequencia, para que se tornasse possıvel a coleta do maximo de informacoes acerca de

3

seu comportamento, permitindo assim uma analise mais profunda do projeto.

1.3 Resumo dos Capıtulos

O presente trabalho foi organizado em cinco blocos com o objetivo de construir de

forma clara as ideias demonstradas atraves da apresentacao de conceitos que envolvem a

propagacao de ondas eletromagneticas. Nesta primeira parte, no capıtulo 1, sao pautados

os conceitos nos quais foram baseadas as observacoes realizadas, de acordo com os con-

textos apresentados, que tornam esse o tipo de estudo relevante e os motivos responsaveis

pela escolha desse tema em questao para o projeto de final de curso.

No capıtulo 2, e apresentada uma breve introducao teorica de diversos conceitos

de propagacao de sinais de radio, relevantes para as analises realizadas neste trabalho.

Ao longo dele, sao explicadas as definicoes dos mecanismos basicos que influenciam a

propagacao de sinais em sistemas moveis, a reflexao, a difracao e o espalhamento, alem

de uma serie de fatores importantes para a analise dos resultados obtidos, como a perda

de percurso, metodos de predicao do sinal, caracterısticas de materiais e ambientes que

apresentam comportamento semelhantes com algumas de suas particularidades.

O capıtulo 3 aborda todos os procedimentos utilizados para a realizacao do ex-

perimento, assim como todos os fatores relevantes para a realizacao do mesmo. Nele,

primeiramente, e apresentada a descricao completa dos ambientes onde foram realizadas

as medicoes. Em seguida, sao apresentados todos os equipamentos utilizados, suas ca-

racterısticas, frequencias utilizadas nas medicoes, o roteiro dos testes praticados e todos

os procedimentos realizados no processo de coleta dos dados que foram utilizados para

realizar as analises.

No capıtulo 4, e apresentada uma breve introducao dos dados obtidos e, em seguida,

sao apresentados todos os resultados encontrados separados em dois grandes blocos, onde

os dados sao apresentados em forma de tabelas para cada faixa de frequencia utilizada.

Mais adiante, sao feitas as analises dos dados coletados pontuando todas as suas caracte-

rısticas de comportamento com base nos conceitos apresentados nas sessoes anteriores.

No capıtulo 5, sao apresentadas as conclusoes a respeito do tema proposto ao longo

de todo o trabalho, corroborando todos os conceitos apresentados ao longo do mesmo,

alem de uma breve avaliacao sobre possıveis trabalhos futuros provenientes dos estudos

4

iniciados a partir deste.

Capıtulo 2

Conceitos Basicos de Propagacao

Nas proximas secoes, serao apresentados os principais conceitos para que seja pos-

sıvel realizar uma introducao teorica, ajudando na compreensao do trabalho realizado.

Dentre os assuntos escolhidos para serem abordados estao perda de percurso, reflexao,

espalhamento e camara anecoica.

2.1 Perda de Percurso

Em um caminho percorrido por uma onda eletromagnetica, principalmente quando

falamos de sistemas moveis, o cenario encontrado no dia-a-dia nao e de visada direta entre

transmissor e receptor. Pelo contrario, muitas obstrucoes sao identificadas ao longo do

percurso, fazendo com que o sinal sofra variacoes e perdas.

A perda de percurso refere-se a atenuacao sofrida pelo sinal devido a distancia

percorrida por ele. E a relacao entre as potencias recebida e transmitida, com seus devidos

ganhos e perdas de sistema. O valor altera de acordo com o ambiente por onde este

sinal transita, ja que a existencia de obstaculos quando nao considerado um modelo de

espaco livre (o que representa um caso real) tambem pode interferir na qualidade do

sinal que chega ao receptor [3]. Existem dois tipos de modelos de atenuacao, presentes

na propagacao dos sinais, que devem ser levados em consideracao para a realizacao de

medicoes da intensidade do sinal: os modelos de desvanecimento em larga escala e em

pequena escala.

No modelo em larga escala, observa-se um decaimento lento no sinal com o aumento

da distancia entre o transmissor e o receptor. Esse tipo de modelo faz com que sejam

6

previstas as variacoes no nıvel medio do sinal que percorre o caminho entre eles. O efeito

abordado esta ligado a alguns modelos de propagacao que tem como objetivo a predicao do

nıvel de sinal recebido, considerando a influencia dos mecanismos basicos da propagacao

(reflexao, difracao e espalhamento) e as devidas atenuacoes presentes nas comunicacoes

por canal de radio movel. Podemos citar o metodo de propagacao no espaco livre, que

considera a perda quando transmissor e receptor possuem linha de visada sem obstrucoes

no caminho, e os modelos de perda de caminho log-distancia e sombreamento log-normal.

Alem disso, tambem e possıvel que possa ser encontrado presente, no modelo em larga

escala, o efeito de sombreamento, pois esta relacionado as atenuacoes provenientes de

edifıcios e outras construcoes, que causam regioes de sombras eletromagneticas.

No modelo em pequena escala, sao consideradas as variacoes rapidas que podem

ocorrer no sinal recebido. Essas variacoes podem ocorrer em diferentes caracterısticas,

como amplitude, fase ou atraso em sinais que percorrem distancias relativamente peque-

nas entre o transmissor e receptor, na ordem de alguns comprimentos de onda, ou em

curtos perıodos de tempo, cerca de segundos. Essa rapidas flutuacoes na intensidade ins-

tantanea do sinal sao resultado da juncao de varias parcelas do sinal que surgem devido as

dispersoes e aos multiplos caminhos percorridos. Estas parcelas podem sofrer uma serie

de reflexoes ao longo dos diferentes caminhos e alcancar o receptor em tempos diferentes

resultando, assim, em um sinal final que e composto por diferentes componentes com

diferentes caracterısticas. Devido a natureza aleatoria desses sinais provenientes de mul-

tipercurso, suas contribuicoes podem ser construtivas ou destrutivas e afetar de formas

diferentes a composicao do sinal, considerando situacoes onde o receptor esta parado e

os obstaculos a volta se movem ou quando o receptor se move mais rapidamente que os

objetos ao seu redor. Dessa forma, o sinal pode variar bastante para distancias muito

pequenas, na magnitude de fracoes do comprimento de onda[9] [8].

A figura 2.1, a seguir, demonstra o corportamento dessas variacoes que podem

ocorrer nos sinais eletromagneticos.

7

Figura 2.1: Exemplo de Desvanecimento em pequena e larga escala.

Em termos matematicos, quando consideramos o ambiente de espaco livre (sem

obstaculos no caminho), a perda de percurso aumenta com o quadrado da distancia. Para

que isso seja compensado, faz-se uso de antenas de ganho alto. Segue abaixo, na equacao

2.1, a representacao matematica deste tipo de perda de percurso (em dB) incluindo-se os

ganhos [8]:

PL = −10log

(GtGrλ

4πd

)2

(2.1)

E possıvel, ainda, citarmos rapidamente alguns dos modelos de propagacao mais

utilizados que levam em consideracao a perda de caminho para estimar o nıvel do sinal

recebido.

• Modelo de perda de caminho log-distancia

Baseia-se em estudos de medicao onde foi constatado que a potencia do sinal di-

minui logaritmicamente com a distancia. Este modelo e utilizado para longas distancias

entre o transmissor e o receptor. A representacao da perda de caminho media e feita pela

seguinte expressao:

8

PL(dB) = PL(d0)− 10 · n · log(d

d0

)(2.2)

Sendo:

n ⇒ expoente de perda de caminho

d0 ⇒ distancia de referencia proxima (medida perto do transmissor; na zona de

campo distante)

d ⇒ distancia da separacao entre transmissor e receptor

Nesta expressao aparece um expoente n, chamado de expoente de perda de caminho,

que mede a velocidade com que a perda vai aumentando de acordo com a distancia que

vai sendo percorrida. Ele varia conforme o ambiente de propagacao do sinal, sendo que

em ambientes com mais obstrucoes, o valor de n torna-se maior. Podemos citar alguns

exemplos de ambientes de propagacao e seus respectivos valores de expoente de perda de

caminho:

Tabela 2.1: Expoente de perda de caminho em certos ambientes de propagacao

Ambiente n

Espaco livre 2

Radio celular em area urbana 2,7 a 3,5

Linha de visada do predio 1,6 a 1,8

Obstruıdo no predio 4 a 6

• Sombreamento log-normal

Este modelo surge para adicionar as condicoes de ruıdo do ambiente que por ora

nao foram consideradas no modelo de log-distancia. Este fato e muito importante dado

que os ruıdos podem ser muito diferentes independente da distancia entre o transmissor

e o receptor, ou seja, eles podem ter a mesma distancia, mas o ambiente no qual estao

inseridos influencia no resultado da medida. Pelas medicoes, e visto que a perda de

9

caminho do sinal e aleatoria e segue uma distribuicao log-normal. A teoria se traduz na

seguinte equacao:

PL(d)[dB] = PL(d) +Xσ = PL(d0)− 10 · n · log(d

d0

)+Xσ (2.3)

Onde:

Xσ ⇒ variavel aleatoria com distribuicao gaussiana de media zero com desvio pa-

drao σ, ambos em dB

O sombreamento log-normal surge da aleatoriedade que o sinal pode assumir em

areas de sombra, ocorrendo em diversos lugares medidos com seus nıveis de ruıdo diferentes

presentes na trajetoria da propagacao, sendo ela descrita pela distribuicao log-normal.

Os resultados de medidas diferentes se dao pelo fato de que cada ambiente possui um

nıvel de ruıdo diferente. Os nıveis dos sinais apresentam uma distribuicao gaussiana.

Esta distribuicao e utilizada por conta dos efeitos aleatorios do sinal provenientes do

sombreamento [9].

2.2 Reflexao

Uma onda eletromagnetica quando se propaga atraves do espaco pode sofrer uma

serie de efeitos, que podem influenciar tanto sua trajetoria quanto na intensidade do seu

sinal. Um desses fenomenos e a reflexao, parte fundamental que compoe o sinal recebido

pelo receptor, juntamente com difracao e espalhamento.

A reflexao e um fenomeno que ocorre quando uma onda incidente se choca com

um obstaculo de proporcoes maiores que o comprimento de onda (λ) da onda incidente,

gerando assim um onda refletida com um determinado angulo de reflexao. Dependendo do

tipo de material com o qual a onda incidente se choca, a componente que corresponde a

onda refletida pode apresentar mais ou menos energia, isso ocorre devido as caracterısticas

eletricas presentes nos materiais que compoem os obstaculos.

Quando a onda incidente colide com um objeto constituıdo de material dieletrico,

parte dessa onda e refletida e parte e refratada. Dessa forma, parte da energia da onda

10

incidente segue com a onda refratada, fazendo com que a energia presente na onda refletida

seja menor do que na onda original. Porem, o mesmo nao ocorre quando a onda incidente

se choca com um obstaculo constituıdo por material perfeitamente condutor. Quando

isso acontece, toda energia proveniente da onda original e transmitida de volta para a

onda refletida, uma vez que esse tipo de material deve apresentar campo eletrico nulo

em toda sua superfıcie a fim de respeitar as equacoes de Maxwell, nao permitindo assim

que nenhuma parte da onda o ultrapasse. A figura 2.2, mostrada adiante, demonstra um

exemplo das componentes de raio refletido e raio refratado de um sinal.

Figura 2.2: Exemplo de raio refletido e raio refratado.

2.2.1 Coeficiente de Reflexao

A reflexao resultante do sinal ao encontrar uma obstrucao ocorre com um angulo

que e igual ao de incidencia. O obstaculo pode ser tanto um objeto contido entre a visada

direta das antenas como a superfıcie da Terra ou a agua, por exemplo, alem de um solo

composto por diversos tipos de materias, como a areia, principal elemento do nosso estudo.

O coeficiente de reflexao mede a relacao entre as amplitudes do sinal que incide

e do sinal que e refletido, sendo entao capaz de mostrar quando um material tem boa

capacidade de refletir as ondas eletromagneticas ou nao. Quando este apresenta valor

zero para o caso de polarizacao de campo paralelo, significa que nao ha reflexao. As

equacoes abaixo traduzem de forma matematica o conceito apresentado, onde a equacao

2.4 representa o coeficiente de reflexao para o campo eletrico paralelo e a equacao 2.5

representa o coeficiente de reflexao para o campo perpendicular ao plano de incidencia,

onde o primeiro meio percorrido pelo sinal e o espaco livre.

11

Γ|| =−εrsenθi +

√ε2r − cos2θi

εrsenθi +√ε2r − cos2θi

(2.4)

Γ⊥ =senθi −

√εr − cos2θi

senθi +√εr − cos2θi

(2.5)

A figura 2.3 a seguir ilustra a reflexao da onda eletromagnetica quando esta incide

com campo eletrico paralelo ou com campo eletrico perpendicular ao plano de incidencia,

como mencionado acima.

Figura 2.3: (a) Onda refletida com campo eletrico paralelo ao plano de incidencia e (b)

Onda refletida com campo eletrico perpendicular ao plano de incidencia.

Segundo a definicao de coeficiente de reflexao, e possıvel a partir de seu calculo es-

timar a refletividade de determinados materiais, ou seja, ambientes onde a reflexao e mais

provavel de ocorrer. Vemos na tabela 2.2 os valores de Permissividade e Condutividade

de alguns materiais selecionados para efeito de comparacao os entre diferentes elementos

existentes. De posse desses dados, torna-se possıvel, entao, a utilizacao das equacoes 2.4

e 2.5 apresentadas.

12

Tabela 2.2: Valores de permissividade e condutividade do concreto, madeira e barro

arenoso.

Material Permissividade (εr) Condutividade (σ)

Concreto 5,31 9, 0× 10−2 S/m

Madeira 1,99 1, 8× 10−2 S/m

Barro nu, seco e arenoso 2 3× 10−2 S/m

2.2.2 Modelo de reflexao no solo (Modelo de dois raios)

Com o avanco das tecnologias de telecomunicacao ao longo do tempo, o mundo

se tornou cada vez mais conectado. Tanto locais densamente povoados, como grandes

cidades, quanto ambientes mais rurais, como pequenos povoados ou fazendas, tornaram-

se zonas de cobertura e passaram a usufruir desse tipo de tecnologia. Dessa forma, os

sistemas de telecomunicacoes passaram a cobrir uma serie de ambientes, cada um com suas

proprias caracterısticas e peculiaridades. Para isso, se fez necessaria a criacao de diversos

modelos que pudessem representar o comportamento dos sinais de radiocomunicacao, com

o objetivo de criarem sistemas cada vez mais eficientes. Assim, surgiram varios modelos

de predicao e um desses modelos foi o modelo de dois raios [9]

Em sistemas de transmissao de sinal de radio, existem diversas formas do sinal

transmitido por uma estacao base alcancar o receptor, a estacao movel, e a transmissao

atraves de visada direta dificilmente e a unica forma possıvel para que isso aconteca. O

modelo de dois raios leva isso em consideracao e, para a composicao do sinal recebido,

ele considera, tambem, uma componente refletida no solo, de forma que essa componente

tambem influencia no sinal final recebido pela estacao movel.

O modelo de dois raios foi considerado um modelo razoavel para prever a intensi-

dade do sinal que chega no receptor em ambientes onde nao haja obstaculos laterais que

possam causar outros sinais provenientes de multipercurso e/ou locais onde o sinal pro-

veniente da reflexao no solo e o mais relevante. Ele faz uso da optica geometrica entre os

raios de visada direta e o de reflexao no solo entre o transmissor e o receptor para construir

o calculo do sinal resultante e pode ser aplicado tanto em ambientes em que ambos estao

separados por alguns quilometros e o transmissor esta localizado em torres altas, quanto

em ambientes urbanos em zonas onde o transmissor e o receptor nao estao tao distantes.

13

Como nesses tipos de propagacao a distancia entre transmissor e receptor nao e grande o

suficiente para que seja necessario considerar a curvatura da terra, o ambiente pode ser

considerado de terra plana e o modelo se torna aplicavel.

Na Figura 2.4, esta ilustrado o modelo basico que representa a optica geometrica

utilizada pelo modelo de dois raios. Nele esta presente o raio de visada direta onde esta

presente a componente do campo eletrico da visada direta ELOS e o raio refletido no solo

que carrega a componente de campo eletrico Eg que somados formam o campo eletrico

total presente no sinal recebido ETOT . Alem disso, ht representa a altura do transmissor,

hr a altura do receptor e d a distancia entre o transmissor e o receptor [9].

Figura 2.4: Modelo de dois raios.

Considerando uma distancia de referencia d0 do transmissor e E0 como o campo

eletrico no espaco livre para essa distancia em V/m, e possıvel demonstrar a expressao de

ETOT em funcao dos dois raios considerados pelo modelo, onde cada um deles percorre

caminhos diferentes ate alcancar o receptor. A onda de visada direta que atinge o receptor

percorre uma distancia d′

e pode ser expressa atraves da equacao 2.6 [9]:

ELOS(d′, t) =

E0d0d ′ cos

(ωc

(t− d

′

c

))(2.6)

Onde:

ωc ⇒ Frequencia portadora

c ⇒ Velocidade da luz

14

Ja o campo Eg, correspondente ao raio refletido no solo, percorre uma distancia

um pouco maior do que o raio de visada direta, definida como d′′, e pode ser demonstrada

atraves da equacao 2.6 [9]:

ELOS(d′′, t) = Γ

E0d0d ′′ cos

(ωc

(t− d

′′

c

))(2.7)

Sendo Γ o coeficiente de reflexao no solo e respeitando as regras da reflexao em

dieletricos que diz que o angulo de reflexao e igual ao angulo de incidencia, podemos definir

que o campo eletrico Eg pode ser representado em funcao do campo eletrico incidente, de

tal forma que o mesmo pode ser definido como na equacao 2.8:

Eg = ΓEi (2.8)

Dessa forma, o campo eletrico total que chega no receptor, que e formado pela

soma vetorial dos dois campos presentes, tanto no raio de visada direta quanto no raio

refletido, pode ser descrito como na equacao 2.9:

Et = (1 + Γ)Ei (2.9)

2.3 Espalhamento

E importante analisar o comportamento das ondas eletromagneticas quando existe

a presenca de objetos pelo percurso que podem afetar a propagacao do sinal transmitido

devido a ocorrencia de diversos fenomenos. Um dos fenomenos que podem ocorrer neste

tipo de situacao e o espalhamento do sinal. Este e um fenomeno bastante comum quando

se considera a propagacao de sinais em ambientes com a presenca de muitos obstaculos,

como ambientes urbanos ou regioes com a presenca de vegetacao muito densa.

O fenomeno do espalhamento ocorre quando os obstaculos existentes possuem um

tamanho muito menor que o comprimento de onda do sinal que esta sendo propagado.

Quando o numero destas pequenas obstrucoes e muito grande, como ocorre na presenca de

superfıcies asperas, o sinal pode sofrer um efeito significativo de dispersao, causado pelo

espalhamento. Quando as ondas eletromagneticas se chocam em objetos como arvores e

15

postes, por exemplo, sua energia e dispersada. Devido a esse fenomeno, o sinal chega ao

receptor com energia adicional, alem do que se e previsto por modelos que consideram

somente a reflexao e difracao. Essa energia adicional e proveniente dessas outras com-

ponentes resultantes da ocorrencia do espalhamento. A figura 2.5 representa o efeito do

espalhamento em um sinal eletromagnetico.

Figura 2.5: Espalhamento de um sinal.

A dispersao da onda eletromagnetica causada pelo espalhamento e muito comum

em quase todos os contextos onde se analisa a propagacao atraves de ondas de radio.

Isso porque toda superfıcie consideravelmente maior que o comprimento de onda pode

ser considerada uma superfıcie refletora e, quando essa superfıcie apresenta diversas ir-

regularidades em sua forma, ela pode ser considerada aspera e uma potencial causadora

do espalhamento. Para determinar a aspereza de uma superfıcie e utilizado o criterio de

Rayleigh demonstrado na equacao apresentada a seguir. Ele calcula a altura crıtica das

protuberancias de uma superfıcie para um angulo de incidencia. Essa altura pode ser

calculada conforme a equacao 2.10 [9]:

hc =λ

8senθi(2.10)

Utilizando o criterio de Rayleigh e considerando a altura das irregularidades presen-

tes na superfıcie refletora, pode-se determinar se ela pode ser considerada uma superfıcie

lisa ou aspera. Isso pode ser feito calculando a diferenca de altura entre as protuberancias

maxima e mınima de uma superfıcie. Caso a diferenca seja menor que hc, a superfıcie pode

ser considerada lisa, e caso a diferenca seja maior que hc, a superfıcie pode ser considerada

aspera. Para superfıcies asperas, o coeficiente de reflexao e modificado para considerar

16

a diminuicao do campo refletido. Esse coeficiente de reflexao para superfıcies asperas

e obtido multiplicando-se o coeficiente de reflexao no plano por uma fator de perda de

dispersao, onde o fator de perda de dispersao pode ser definido atraves da equacao 2.11

[9].

ρS = exp

[−8

(πσhsenθi

λ

)2]I0

[8

(πσhsenθi

λ

)2]

(2.11)

Sendo que I0 representa a funcao de Bessel de ordem zero e primeiro tipo e σh

e o desvio padrao da altura das protuberancias da superfıcie em relacao a altura media

da superfıcie. Assim, o coeficiente de reflexao para superfıcies asperas pode ser definido

como na equacao 2.12 [9]:

Γsuperficies asperas = ρs Γ (2.12)

A analise do espalhamento e feita introduzindo-se o “campo disperso” ao campo

total. Suas componentes, representadas por ES, HS, sao somadas as componentes do

campo incidente Ei, Hi, que representa o campo sem os obstaculos de dispersao resultando,

assim, nas componentes do campo total das equacoes 2.13 e 2.14 [1]:

Et = Ei + ES (2.13)

Ht = Hi +HS (2.14)

Como citado anteriormente, a presenca de obstaculos pode ser responsavel por cau-

sar o efeito de espalhamento do sinal e esses obstaculos podem ser constituıdos de diversos

materiais diferentes, cada um deles causando maior ou menor influencia na atenuacao do

sinal. Com o intuito de contextualizar nosso estudo a partir da analise de situacoes que

envolvem elementos cotidianos, estabelecemos abaixo um lista de alguns materiais que

podem causar o efeito do espalhamento nos sinais de ondas eletromagneticas.

17

• Areia

Principal elemento de nosso estudo, a areia parece apresentar caracterısticas atenu-

adoras. Pesquisas realizadas em ambientes com ampla presenca deste material comprovam

esses aspectos que prejudicam a propagacao das ondas eletromagneticas em tal ambiente.

Em tempestades de areia, muito comuns em alguns lugares do mundo, como no Oriente

Medio por exemplo, foi constatado que, nessas ocasioes, a atenuacao das ondas somente

e verificada quando existe um grande volume de areia. Isto e, a relacao entre a densidade

de areia presente na tempestade e proporcional a relevancia dessas atenuacoes, que sao

mais fortemente observadas nas ocasioes de baixa visibilidade. Alem disso, este fenomeno

tambem e observado mais fortemente quando utilizado sinais em altas frequencias (ou

seja, em ondas milimetricas). O que acontece, entao, e a atenuacao do sinal pelos feno-

menos de espalhamento e absorcao das partıculas de areia suspensas no ar presentes na

tempestade, devido a sua alta concentracao [7].

• Concreto

O concreto e um dos elementos largamente utilizados na construcao civil, e os

estudos sobre os efeitos dos sinais eletromagneticos quando estes vao de encontro a ele sao

recorrentemente abordados no campo das telecomunicacoes. Com a evolucao das redes

moveis de telefonia e as redes sem fio, cada vez mais equipamentos que utilizam essas redes

como meio de comunicacao passaram a fazer parte do cotidiano das casas e escritorios.

Os estudos mostram que estruturas de concreto, muitas vezes reforcadas com metal, sao

os principais responsaveis pelo espalhamento e reflexao de sinais de redes sem fio, e que

parametros como a dimensao da espessura da parede e o angulo de incidencia da onda

eletromagnetica tem grande efeito na difusao do sinal transmitido [11].

• Madeira

Neste contexto, e possıvel que entendamos a dispersao presente na madeira a partir

de estudos relacionados ao espalhamento presente em uma fibra de madeira, que compoe

o tronco de uma arvore e e utilizada na fabricacao de papel, por exemplo. Com a utili-

zacao de medicoes em uma fibra separadamente, um experimento foi realizado com um

Laser incidindo sobre a superfıcie da mesma, na intencao de avaliar o comportamento

18

de espalhamento causado por este material. O comportamento de espalhamento e obser-

vado devido a propria estrutura da fibra, que apresenta pequenas irregularidades em sua

superfıcie [12].

2.4 Camara Anecoica

Durante a analise do comportamento de dispositivos eletronicos, antenas e equi-

pamentos de telecomunicacoes, e extremamente comum a presenca de ruıdo nos dados

coletados. Isso ocorre naturalmente devido a uma serie de interferencias que podem acon-

tecer no local onde o experimento e realizado. Contudo, mesmo sendo algo comum a

existencia desses ruıdos, muitas das vezes se faz necessaria a execucao dessas experien-

cias em ambientes onde esses ruıdos sao atenuados, permitindo, assim, uma analise mais

apurada dos resultados. A partir dessas necessidades foram criadas as chamadas camara

anecoicas.

A criacao das camaras anecoicas surgiu da necessidade que os pesquisadores tinham

em obter um local onde as ondas resultantes de espalhamento e reflexoes em paredes e teto

nao pudessem afetar os resultados dos experimentos que estavam sendo realizados, algo

que normalmente acontecia em laboratorios, por exemplo. Para que isso fosse evitado,

foram desenvolvidos espacos onde, dependendo da necessidade, ondas sonoras ou eletro-

magneticas eram atenuadas e/ou absorvidas quando se chocassem com as extremidades

do interior da camara, criando assim um ambiente livre de reflexoes [2].

A camara anecoica e de um ambiente fechado e revestido com material especıfico

para blindagem de qualquer influencia externa e atenuacao maxima de todas as ondas

geradas em em seu interior, sendo capaz de atenuar ou absorver as ondas. Neste tipo de

ambiente, ondas de frequencias menores sao atenuadas devido ao formato piramidal do

material que a reveste, ja ondas de frequencias mais altas sao absorvidas, impedindo seu

retorno. Dessa forma, e possıvel criar um ambiente onde as reflexoes sao praticamente

nulas, simulando o que seria o mais proximo de uma propagacao no espaco livre. Entao,

nesse espaco, ocorre absorcao quase total das ondas, tornando-se um ambiente isolado

de interferencia. Um aspecto importante diz respeito a sua blindagem, que chega a ter

coeficiente da ordem de 100 dB.

Devido a essa sua caracterıstica de isolamento, as camaras anecoicas se tornam

19

ambientes ideais para a realizacao de testes com equipamentos nos quais se deseja detec-

tar comportamentos sutis, ou seja, pequenas variacoes que nao seriam percebidas caso

os equipamentos fossem testados em ambientes expostos a interferencias cotidianas, tais

como antenas e satelites utilizados em meios de telecomunicacoes [4]. A figura 2.6, a

seguir, mostra um camara anecoica real utilizada para testes com equipamentos de tele-

comunicacoes.

Figura 2.6: Camara anecoica Compact Payload Test Range utilizada para teste de efici-

encia e comportamento de antenas e satelites, localizada em Noordwijk, na Holanda.

Capıtulo 3

Experimento

Para validar a proposta levantada por nosso projeto final, foram realizados testes

iniciais indoor, mais especificamente localizados no Laboratorio de Propagacao da UFF

(LAPROP-UFF), no bloco E da Escola de Engenharia. Atraves dos testes realizados,

foi possıvel induzir a ocorrencia de diversas situacoes distintas presentes nas propaga-

coes de ondas eletromagneticas, sendo possıvel simular os diferentes fenomenos citados

anteriormente atuando sobre o cenario estruturado para o estudo. Para isso, os testes

foram realizados utilizando dois tipos de antenas de propagacao que operam em faixas de

frequencia diferentes, uma atuando em uma faixa mais baixa, de 1,5 GHz e outra atuando

sobre uma faixa mais alta, de 3,5 GHz.

Para a realizacao do experimento, foram utilizados uma caixa contendo areia, um

gerador de sinal modelo MG3700A da Anritsu, um analisador de espectro MS2034A, tam-

bem da Anritsu, dois cabos coaxiais, dois pares de antenas (um par para cada frequencia)

e uma espuma absorvedora utilizada para bloquear parte do sinal. Os testes foram rea-

lizados utilizando a configuracao explicitada adiante, na Figura 3.6, onde cada uma das

antenas foi conectada atraves de cabos coaxiais a um dos equipamentos, sendo a antena

transmissora conectada ao gerador de sinais enquanto a receptora e conectada ao anali-

sador de espectro.

O experimento foi realizado em uma sala onde o pe direito e alto, com o objetivo

de criar um ambiente onde as reflexoes no teto exercessem nenhum ou o mınimo de

influencia possıvel sobre os dados coletados. Com isso em mente, para cada uma das

tres distancias propostas, foram realizados tres procedimentos diferentes, todos visando

coletar o maximo de dados que pudessem demonstrar a influencia dos raios refletidos no

21

solo, mais especificamente sobre o recipiente com areia, na composicao da intensidade do

sinal recebido. Para isso, primeiramente foi realizada a transmissao sem nenhum tipo

de obstrucao entre as antenas e sem a presenca de areia no piso, conforme mostrado no

cenario 1 abaixo, de forma que se pudesse coletar o sinal maximo recebido pela antena.

Apos esse primeiro teste, foi colocada a espuma absorvedora na distancia exata entre as

antenas de forma que a mesma pudesse obstruir a visada direta permitindo somente que

os raios refletidos no solo alcancassem a antena receptora, conforme cenario 2. Por ultimo,

foi realizada a medicao dos dados utilizando novamente a espuma absorvedora posicionada

perfeitamente entre as antenas para obstruir a visada direta, porem agora foi adicionada

ao solo a caixa onde estava presente a areia, tambem posicionada entre as antenas, logo

abaixo da espuma, de forma que o raio que atingisse o interior do recipiente com areia

tivesse um angulo de incidencia que permitisse que a antena receptora fosse alcancada

quando o sinal fosse refletido, de acordo com o cenario 3. Podemos observar na Figura

3.1 a representacao de cada um dos cenarios explicitados acima.

22

Figura 3.1: Ilustracao dos cenarios presentes no experimento.

Isso nos permitiu analisar os diferentes comportamentos dos sinais quando sao

expostos as diferentes condicoes de propagacao descritas neste documento, tornando-se

possıvel, entao, analisar a influencia dos raios refletidos na composicao do sinal recebido

quando os mesmos sao expostos a um ambiente onde existe a presenca de solo arenoso e

comparar este cenario aos demais cenarios apresentados.

3.1 Equipamentos

Parte de fundamental importancia em todo experimento cientıfico que deseja co-

letar dados, com a maior confianca possıvel, sao os equipamentos escolhidos para realizar

os procedimentos. A definicao dos equipamentos corretos para cada tipo de atividade

especıfica e de extrema importancia, uma vez que eles sao os responsaveis por captar e

traduzir os dados para os observadores. Alem da escolha correta, tambem e de funda-

23

mental importancia a calibragem dos mesmo, de forma a garantir que os dados coletados

sejam os mais precisos e exatos possıveis, se aproximando assim ao maximo da realidade,

o que garante a veracidade dos dados coletados.

Com isso em mente, e a fim de obter os dados mais fieis possıveis, utilizamos

para nossos testes equipamentos robustos presentes no LAPROP-UFF, todos devidamente

regulados e calibrados, com o objetivo de garantir a coleta dos dados com maior precisao e

exatidao. Para isso, foram utilizados equipamentos adequados para a transmissao e analise

de ondas de radio em diferentes frequencias, sendo eles um gerador de sinal reponsavel

por originar o sinal transmitido, um analisador de espectro responsavel por medir o nıvel

de potencia do sinal recebido, dois pares de antenas que operam nas frequencias 1,5 GHz

e 3,5 GHz para transmissao e recepcao dos sinais e um espuma absorvedora responsavel

por absorver e atenuar parte do sinal. Alem disso, para introduzir o elemento principal de

nosso estudo, utilizamos uma caixa de papelao retangular repleta de areia em seu interior,

com as seguintes dimensoes: 47 cm de comprimento, 10 cm de altura e 38 cm de largura.

A areia ocupava a maior parte da mesma, preenchendo um volume de 80% do total, sendo

100% a ocupacao da superfıcie horizontal.

As antenas foram parte fundamental na definicao dos resultados vistos mais a

frente. E importante mencionar que, na frequencia mais baixa (1,5 GHz), as antenas

utilizadas para transmissao e recepcao foram antenas omnidirecionais da marca Celta

modelo CE-150727, com uma faixa de frequencia de 698 MHz a 2,7 GHz e 2 a 5 dBi de

potencia de irradiacao. Quanto maior o valor em dBi da antena, mais diretiva ela sera. Na

frequencia mais alta, entretanto, as antenas usadas eram impressas, de formato retangular

com tamanho menor, direcionais e de fabricacao propria do laboratorio de propagacao [6].

Essa diferenciacao nas caracterısticas interfere no decorrer dos experimentos nas diferentes

frequencias.

Seguem abaixo as imagens referentes aos equipamentos utilizados que foram men-

cionados neste item, sendo na Figura 3.2 ilustrado o gerador vetorial de sinais, na Figura

3.3 o analisador de espectro, na Figura 3.4 a antena omnidirecional utilizada na frequencia

de 1,5 GHz e, na Figura 3.5, a antena diretiva impressa utilizada na frequencia de 3,5

GHz.

24

Figura 3.2: Gerador de sinais MG3700A da Anritsu utilizado no experimento

Figura 3.3: Analisador de espectro MS2034A da Anritsu utilizado no experimento

25

Figura 3.4: Antena omnidirecional Celta utilizada no experimento (frequencia de 1,5 GHz)

Figura 3.5: Antena diretiva impressa utilizada no experimento (frequencia de 3,5 GHz)

26

3.2 Ambiente de Teste

Para efetuar os testes em ambiente fechado, foi disponibilizada uma das salas do

LAPROP-UFF, alem dos equipamentos citados, que foram necessarios para realiza-los

com sucesso. Foram feitos experimentos utilizando a frequencia de 1,5 GHz e, posteri-

ormente, utilizando a frequencia de 3,5 GHz, implementadas pelo gerador de sinais, com

o intuito de estudar os comportamentos dessas diferentes frequencias quando expostas a

propagacao em ambiente com solo arenoso. Basicamente, para ambos os casos, foi apli-

cada a mesma configuracao, bastante simples, de disposicao dos elementos, sendo a unica

diferenca presente na altura das antenas com relacao ao chao. Na frequencia 1,5 GHz,

ambas as antenas foram fixadas a 66 cm do chao, enquanto na frequencia de 3,5 GHz

elas foram inseridas a 79 cm acima do chao, porem nos dois casos elas foram firmadas em

cadeiras que funcionaram como um suporte e posicionadas em visada direta, separadas

por tres distancias distintas, cada uma produzindo um resultado diferente a ser analisado

a posteriori. A representacao da composicao do ambiente de teste esta ilustrada no es-

quema da Figura 3.6 apresentada a seguir.

Figura 3.6: Representacao esquematica do experimento

A caixa com areia esta localizada exatamente na metade do caminho entre as

antenas e a distancia D foi modificada tres vezes, sendo ela primeiramente de 80 cm,

seguida de 156 cm e, por ultimo, 297 cm. Apos cada medicao, afastou-se em alguns

centımetros a antena de transmissao da antena de recepcao, tambem reposicionando o

27

local da areia sempre para o ponto central entre as antenas, de forma que as distancias d1

e d2 tivessem valores iguais. O material absorvedor era colocado entre as antenas na altura

delas, com ou sem a caixa embaixo, e utilizado na medicao para que fosse possıvel absorver

a componente do sinal de visada direta, ficando apenas com a componente proveniente de

reflexao. Todos os valores de distancia aqui presentes foram repetidos nas medicoes com

as duas frequencias diferentes, de forma que a analise possa ser realizada e comparada de

maneira correta para ambos os casos.

A seguir, as imagens reais capturadas do ambiente nas duas configuracoes de teste:

1,5 GHz e 3,5 GHz.

Figura 3.7: Ambiente real do experimento para a frequencia de 1,5 GHz

Figura 3.8: Ambiente real do experimento para a frequencia de 3,5 GHz

Capıtulo 4

Resultados e Analise

A partir dos dados obtidos com os experimentos realizados, foi possıvel analisar

os diferentes efeitos presentes em transmissoes de sinais eletromagneticos, com grande

destaque para os efeitos de reflexao especular e difusa, muito comuns em diversos tipos de

ambientes. Os diferentes cenarios aqui experimentados tiveram o objetivo de nos permitir

testar a premissa da influencia da areia nas reflexoes das ondas de sinal de radio, sendo

necessarios para corroborar as afirmacoes teoricas apresentadas ao longo do trabalho e

consolidar a proposta.

Os resultados apresentados variam conforme a frequencia utilizada na transmissao

e a distancia considerada entre transmissor e receptor, dessa forma, sao obtidos os nıveis

de potencia de recepcao considerando cada caso, sendo aplicados os termos visada direta

considerando o cenario 1, que se trata da transmissao sem qualquer obstrucao (onde

a visada e predominante), reflexao no chao considerando o cenario 2, que se trata da

configuracao com absorvedor e sem areia (onde obstrui-se a visada e apenas as ondas

refletidas no chao e que predominam) e reflexao na areia considerando o cenario 3, que

se trata do uso do absorvedor com a caixa de areia embaixo (onde a visada e novamente

obstruıda, mas dessa vez as ondas sao refletidas na areia). Os itens 4.1 e 4.2 mostram os

resultados para as duas frequencias.

4.1 Frequencia de 1,5 GHz

Nas tabelas 4.1, 4.2 e 4.3 estao representados, na frequencia de 1,5 GHz, os resul-

tados obtidos nos tres cenarios usados para cada uma das tres distancias utilizadas.

28

29

• Distancia: 80 cm

Tabela 4.1: Valores medidos para a distancia de 80 cm em 1,5 GHz

Cenario Valor medido

1 - Visada direta -60 dBm

2 - Reflexao no chao -58 dBm

3 - Reflexao na areia -78 dBm













• Analise

Primeiramente, faz-se necessaria uma analise dos resultados encontrados para a

frequencia de 1,5 GHz. E importante relembrar que, neste caso, foi utilizada uma an-

tena omnidirecional que, devido a sua natureza nao diretiva de propagacao, impactou

os resultados dos testes realizados. Entretanto, mesmo assim, os testes realizados nesta

30

frequencia sao validos, ja que sao considerados os resultados obtidos com antenas reais que

sao utilizadas em ambientes urbanos. Na figura 4.1 sao apresentados os dados coletados

consolidados em forma de grafico, onde o eixo das abscissas representa a distancia entre

as antenas em centımetros e o eixo das ordenadas representa a potencia recebida medida

com o analisador de espectro, em dBm.

Figura 4.1: Grafico relativo aos dados encontrados na frequencia de 1,5 GHz

Percebe-se que as curvas obtidas para os dados coletados nesta primeira fase de

testes mostram uma instabilidade nos dados. Na primeira distancia, de 80 cm, os nıveis

de sinal recebido no cenario 1 (visada direta) e no cenario 3 (reflexao sobre a areia) sao

consideravelmente menor quando comparados com as demais distancias, com excecao do

cenario 2 (reflexao no solo), no qual os dados se comportaram como o esperado. Ja a

partir da distancia de 156 cm, os valores encontrados ja passaram a se comportar de

forma mais concreta com o esperado, apresentando nıveis de sinal que se apresentavam

cada vez menores quando expostos aos diferentes tipos de testes. Contudo, os valores

obtidos para os diferentes tipos de propagacao foram muito proximos uns dos outros,

principalmente para os modelos que consideravam somente as reflexoes como forma de

propagacao do sinal.

As variacoes apresentadas nas informacoes expostas podem ter ocorrido devido a

uma serie de fatores que influenciam na recepcao do sinal captado, muitos deles proveni-

entes dos materiais envolvidos no experimento. A propria natureza nao diretiva do tipo

31

de antena utilizada pode ser uns dos fatores que ajudaram para a formacao de dados

com valores nao esperados. Outro fator que pode ter sido responsavel pelo surgimento do

efeito de multipercurso dos raios refletidos no ambiente e a propria espuma absorvedora

utilizada para bloquear as ondas de visada direta, componente com maior intensidade de

energia do sinal transmitido.

4.2 Frequencia de 3,5 GHz

Nas tabelas 4.4, 4.5 e 4.6 estao representados, na frequencia de 3,5 GHz, os resul-

tados obtidos nos tres cenarios usados para cada uma das tres distancias utilizadas.














32






• Analise

No segundo grafico, presente na figura 4.2, sao exibidos os resultados encontrados

com a frequencia de 3,5 GHz. Ja neste caso, as antenas utilizadas para transmitir e receber

o sinal foram antenas diretivas.

Figura 4.2: Grafico relativo aos dados encontrados na frequencia de 3,5 GHz

Aqui, vemos resultados mais condizentes com o esperado e com o que foi proposto

no inıcio deste trabalho. Percebe-se que, na visada direta, sao encontrados os maiores

valores referentes a distancia em estudo no momento, para todas as tres diferentes sepa-

racoes. Quando inserimos o absorvedor para obter somente a reflexao do sinal no chao,

o nıvel do sinal ja decai consideravelmente, cerca de 15 dB na distancia de 80 cm e 11

dB nas demais distancias. Quando, finalmente, incluımos a areia, o valor da potencia cai

bastante novamente, cerca de 20 dB de media considerando os valores das tres distancias

em comparacao com o cenario de visada direta, o que nos confirma a tese proposta ao

33

longo do estudo: a areia possui caracterıstica absorvedora semelhante a dos materiais

presentes em camaras anecoicas, sendo capaz de, por si so, atenuar parte do sinal que a

atinge, reduzindo, assim, a potencia do sinal refletido.

4.3 Analise referente as frequencias de 1,5 GHz e 3,5

GHz somente no cenario 3

Com o objetivo de evidenciar melhor o comportamento absorvedor da areia na

refletividade das ondas eletromagneticas e poder analisar com maior clareza o seu com-

portamento para cada uma das frequencias utilizadas neste estudo, isolamos os resultados

obtidos para os casos do cenario 3, que representa a reflexao sobre a areia, em ambas as

frequencias, onde os sinais foram expostos a refletividade neste tipo de material para cada

uma das diferentes distancias, como mostra a figura 4.3 a seguir. Na imagem, o eixo das

abscissas apresenta as tres distancias (em centımetros) consideradas entre o transmissor

e o receptor nas medicoes realizadas e o eixo das ordenadas apresenta a potencia recebida

(em dBm) em cada uma dessas distancias, somente para o cenario 3.

Figura 4.3: Grafico de comparacao do sinal recebido na presenca da areia para as diferentes

frequencias (cenario 3)

Como e possıvel observar atraves do grafico da figura 4.3, tem-se uma percepcao

mais apurada acerca das situacoes de espalhamento e multipercurso existentes em funcao

34

das distancias, presentes nas medicoes envolvendo as duas frequencias empregadas. Ao

mesmo tempo que visualmente verificamos o efeito de multipercurso presente na frequencia

de 1,5 GHz, percebem-se os resultados mais consistentes provenientes das medicoes da

frequencia de 3,5 GHz, onde a imagem mostra uma curva decrescente mais coerente com o

esperado pelo trabalho. Avaliando as duas curvas, apesar do primeiro ponto da frequencia

de 1,5 GHz destoar dos demais, e possıvel observar que, independente disto, para todas as

distancias, a menor frequencia apresentou maiores valores de potencia no sinal recebido

quando comparada aos valores recebidos em 3,5 GHz. Essa diferenca pode ter advindo,

como ja citado anteriormente, do fato da antena utilizada para a frequencia de 1,5 GHz ter

sido do tipo omnidirecional, o que pode ter ocasionado reflexoes em outros locais (como

obstaculos laterais) e nao somente no solo, enquanto que na frequencia de 3,5 GHz e

utilizada uma antena diretiva. Isto pode ter favorecido a recepcao de valores mais elevados

do sinal transmitido, ja que assim o sinal recebido e formado por mais componentes de

sinal provenientes de multipercurso.

Outro fator que pode ser observado no comportamento dos dados obtidos e a

influencia da distancia no efeito do coeficiente de reflexao, devido ao fato de conforme a

distancia entre as antenas transmissora e receptor aumentava, os angulos de incidencia

das componentes de raio refletido no solo reduzia, o que afeta diretamente a intencidade

do coeficiente de reflexao. Tambem e importante citar a p a distancia entre as antenas

transmissora e receptora aumentava, os angulos de incidencia das componentes de raio

refletido no solo reduzia, o que afeta diretamente a intencidade do coeficiente de reflexao.

Tambem e importante citar a presenca do efeito da perda de percurso, no qual o sinal

tende a decair conforme a distancia entre as antenas transmissora e receptora aumenta,

efeito que foi bastante evidente durante todo o teste. Conforme a distancia entre as

antenas era aumentada, ou seja, quanto maior a distancia percorrida pelo sinal, menor

era o nıvel do sinal recebido.

Com todos os dados expostos e as analises realizadas, e importante ressaltar que,

para ambas as frequencias utilizadas no experimento, todos os valores medidos para o

cenario onde os raios refletidos foram expostos a areia apresentaram valores menores

de potencia recebida quando comparados aos demais cenarios abordados. Isso ajuda

a corroborar a ideia proposta de que a areia apresenta sim certa influencia nos sinais

refletidos sobre ela.

Capıtulo 5

Conclusoes

A fim de sintetizar e estabelecer o desfecho de todo o trabalho elaborado acima,

este topico apresenta as principais conclusoes que podemos inferir a partir de toda a teoria

estudada e todos os dados coletados em nosso experimento.

De acordo com a analise do experimento e considerando os resultados encontrados

no ambiente de teste com a presenca de areia, chega-se ao importante entendimento de

que este material possui caracterısticas absorvedoras. Assim, os sistemas de transmissao

que utilizam ondas eletromagneticas num ambiente deste tipo, que contenha grandes

dimensoes cobertas por areia, devem priorizar a visada direta entre transmissor e receptor,

uma vez que ocorre atenuacao na potencia em todas as componentes do sinal que sofrem

reflexao no solo nessas ocasioes. No caso de nao haver a possibilidade de uma visada

direta, o ideal e escolher pontos estrategicos onde os cenarios de reflexao na areia sejam

os menores possıveis.

Vale ressaltar, tambem, os resultados inesperados advindos das medicoes com ante-

nas de transmissao e recepcao omnidirecionais. Por conta dos diversos efeitos de reflexao

devido a irradiacao omnidirecional no plano horizontal do sinal que colabora para a ocor-

rencia do efeito do multipercurso que uma antena deste tipo pode causar, algumas das

medicoes obtidas nessa fase da experiencia ficaram fora do esperado, porem, de uma forma

geral, ainda se mantiveram dentro da logica proposta ao longo do trabalho. Por mais que

a atenuacao causada fosse pequena e a variacao nos valores nao fosse tao expressiva como

quando comparados com os apresentados para a frequencia de 3,5 GHz, ela existiu, ou

seja, apesar de todos esses fatores, mesmo assim as caracterısticas atenuadoras da areia

se mostraram presentes e relevantes aos resultados dos dados coletados.

36

Os fenomenos existentes na propagacao de ondas eletromagneticas tambem se mos-

tram presentes ao longo de todo o experimento. As reflexoes presentes em cada cenario,

a presenca do espalhamento e a perda de percurso sao alguns dos conceitos basicos que

puderam ser observados em laboratorio. Ficou bem claro que, quanto mais se afastava o

transmissor do receptor, maior era a atenuacao e, consequentemente, menor era o valor

da potencia recebida. Alem disso, com a confirmacao da propriedade de espalhamento

da areia, conseguimos tambem concluir que este material causa uma reducao na intensi-

dade da componente de raio refletido semelhante aos efeitos que ocorrem com sinais de

radiocomunicacao quando expostos a testes realizados em camaras anecoicas, devido as

caracterısticas de ambas que se assemelham no que diz respeito a atenuacao e absorcao

das ondas eletromagneticas.

5.1 Trabalhos futuros

Com a realizacao deste trabalho, muitas observacoes importantes a respeito do

comportamento dos sinais de radiocomunicacao quando expostos a ambientes com su-

perfıcies cobertas por areia foram feitas, porem ainda existem muitas perguntas a serem

respondidas e ainda existe muito a ser feito para a continuacao dos estudos nesta linha

de pesquisa. Desta forma, esta pesquisa serve como ponto de partida para uma serie

de outros trabalhos abordando questoes pertinentes, que nao foram aprofundadas neste

documento.

Um dos importantes aspectos que podem ser explorados, futuramente, e a expansao

dessa pesquisa para o ambiente outdoor, com o objetivo de coletar dados que demonstrem

o real comportamento das ondas eletromagneticas na presenca de ambientes cobertos por

grandes extensoes de areia, como largas faixas de areia presentes em praias ao longo

de todo litoral brasileiro ou em regioes cobertas por grandes extensoes de dunas. Uma

outra alternativa ao ambiente de praia, ja que a maresia pode ser um impeditivo para a

utilizacao de certos equipamentos de medicao, poderia ser um campo de futebol de areia

ou ate mesmo uma area aberta de praca composta por areia.

Outros pontos importantes que devem ser levados em consideracao e podem ser

estudados sao a influencia das ondulacoes presentes na areia no grau de espalhamento

do sinal, afetando assim a sua recepcao, e a relacao do angulo de incidencia das ondas

37

eletromagneticas refletidas no solo com o nıvel de atenuacao do sinal para esse tipo de

ambiente.

38

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Charles de Jesus Costa Pereira Maria Carolina Vilar Lessa€¦ · Maria Carolina Vilar Lessa Estudo da re etividade de ondas eletromagn eticas na presenca de areia Trabalho de Conclus~ao