Propagação

ct4rkPretende-se com este artigo dar uma panorâmica sobre a propagação e os fenómenos que a ela estão directamente ligados, sem recorrer a exaustivos cálculos matemáticos, e de uma maneira geral, de uma forma simples e compreensiva.

Estes apontamentos são dirigidos especialmente aos colegas que por vezes se interrogam sobre diversos fenómenos com que se confrontam nas suas comunicações, não encontrando a resposta adequada. Não sendo um artigo de alto rigor cientifico, procuro no entanto dar uma ideia o mais exacta possível sobre alguns temas da propagação.

As Camadas da Ionosfera

Camada F2

Esta é a mais alta das camadas ionosfericas, existindo entre os 200 e os 400km. Esta camada representa o principal meio de reflexão ionosferica para comunicações em ondas curtas a distancias muito elevadas, distancia esta que pode variar ao longo do dia, com a época do ano e ainda com o ciclo solar. Estas variações são provocadas pelo grau de ionização assim como também com a altitude da camada. A camada F2 aparece cerca do nascer do sol quando a camada F se decompõe para dar origem à F2 e à F1. Nesta altura é notório um aumento brusco da frequência critica de trabalho. As características de reflexão atingem o máximo aproximadamente quando o sol atinge a máxima elevação no horizonte, altura em que depois inverte a tendência e começa a diminuir as suas características reflectoras por via de uma diminuição da ionização, que ocorre até esta se fundir na camada F1 e dar origem a uma só camada, a “F” como já foi dito.

Camada F1

Esta camada existe logo abaixo da camada F2 e como a F2 também ela só existe durante as horas diurnas. Por vezes esta camada pode servir de reflectora a determinadas frequências., mas normalmente a energia electromagnética que atravessa a camada E também atravessa esta, acabando por se reflectir na camada F2. O mais normal é esta camada provocar uma absorção adicional nos sinais que atravessam a “E” antes de se reflectirem na F2.

Camada E

Esta camada situa-se por baixo das camadas F2 e F1 e praticamente só existe durante as horas diurnas, desaparecendo praticamente durante a noite. Todavia e muito raramente podem-se observar vestígios dela durante a noite. A altitude desta camada é entre os 80 e os 100km.

O máximo de actividade da camada é ao quando os raios solares incidem perpendicularmente à superfície da mesma. Esta camada possibilita as comunicações em HF a medias distancias, e também é responsável pela propagação das frequências abaixo de 1,5 MHz durante a noite a distancias consideráveis.

Todavia esta camada é famosa entre os amadores por possibilitar comunicações em frequências acima de 50MHz a distancias que podem ultrapassar facilmente os 2000Km. Neste caso diremos que estamos em presença de uma “esporádica E”. A esporádica E acontece quando durante determinado tempo (especialmente na altura da primavera) existem zonas fortemente ionizadas por condições anómalas de actividade solar, possibilitando a reflexão de sinais de frequências muito elevadas. A altitude a que se situa a nuvem ionizada e a densidade da ionização determinam distancia do salto para um determinado ângulo de incidência.

Uma das formas mais simples de verificar que estamos perante uma esporádica “E”, e como tal boas possibilidades de fazer mais uma longínqua quadrícula é o aparecimento de estações de radiodifusão em FM que estão localizadas por vezes a mais de 1500km.

Durante a existência de uma esporádica é normal escutar em Portugal estações de FM Italianas Francesas e Alemãs entre outras.

Camada D

Esta é a mais baixa de todas as camadas situando-se entre os 50 e os 80 km e a que aparentemente apresenta mais absorção à energia radioeléctrica durante o período da sua existência e que se situa praticamente apenas durante as horas diurnas desaparecendo com o por do sol. É também a mais desconhecida de todas as camadas ionosféricas e a que menos grau de ionização apresenta. Acredita-se que esta camada é a responsável pela absorção das ondas de rádio em HF e MF durante as horas diurnas.

Perturbações ionósfericas

Todas as variações que acontecem na ionósfera são mais ou menos previsíveis e dependem principalmente da actividade solar e do grau de ionização que as radiações solares provocam na ionósfera. Deste modo pode-se com os conhecimentos actuais prever as condições de propagação dentro de certos limites.

Todavia por vezes o comportamento normal da ionósfera é alterado por determinados fenómenos que ocorrem na superfície solar como sejam explosões solares que libertam “flares” com muitos milhares de km de comprimento e a uma velocidade espantosa que pode atingir 2000km por segundo. Estas explosões emitem raios X e uma grande quantidade de partículas especialmente protões. Se as flares acontecerem na direcção da Terra, então esta chuva protónica atinge a Terra provocando forte perturbação das camadas ionosfericas ionizando-as na região dos pólos dando origem às espectaculares Auroras Boreais. http://www.spaceweather.com Durante o período em que a terra está exposta a estas anomalias as características das diversas camadas é alterada e severas perturbações ocorrem nos sistemas de comunicação, provocando mesmo o bloqueio total das comunicações por reflexão ionosferica. Nesta altura o receptor parece que está avariado pois apenas se escuta um ligeiro ruído de fundo. Apenas se poderão escutar estações que estejam perto e que deste modo usem a propagação por onda terrestre.

Estas perturbações dividem-se em duas categorias: Perturbações ionosfericas repentinas e tempestades solares.

As perturbações ionosfericas repentinas tem origem em erupções solares mais ou menos repentinas e atinge a terra cerca de 15 minutos depois de se ter dado a erupção, e só afecta a superfície da terra que está voltada para o Sol. Estas perturbações tem uma duração limitada e atingem principalmente as frequências de entre 0s 2 e os 30 MHz. A atenuação dos sinais durante o fenómeno pode atingir os 40dB e demora normalmente menos de uma hora.

Por outro lado as tempestades solares apesar de não serem tão acentuadas, apresentam maiores problemas para as comunicações devido à sua duração ser bastante maior. Durante uma tempestade solar os sinais que utilizem a ionosfera para se propagar diminuem drasticamente de intensidade e podem até se extinguir durante vários dias, e ocorrer em todo o globo, mesmo nos locais em que seja noite. nestas condições a camada F aumenta anormalmente a sua altitude e a atenuação das ondas é de uma maneira gerar aumentada dando origem ao que se denomina por “flutter fading”.

Propagação acima dos 30MHz

A propagação em frequências acima de cerca de 30 MHz normalmente não utiliza as camadas ionosfericas para se reflectir. Todavia existem excepções quando estas frequências se propagam por meio de fenómenos mais ou menos frequentes que ocorrem em condições anormais das características habituais de propagação, como é o caso de propagação por esporádica “E”. Assim sendo os principais modos de propagação em frequências acima de 30 MHz são os seguintes:

Alcance visual para duas estações à mesma altitude

Quando duas estações estão à mesma altitude é possível através de uma simples formula matemática calcular se em condições de uma atmosfera standard (K=1, 33) estas estações se consideram em linha de vista. Este calculo é bastante importante quando se pretende estabelecer comunicações em microondas. Teoricamente a distancia máxima a que estas estações podem estar, é quando o feixe que une ambas toca no ponto do horizonte comum , como se mostra na figura.

Para calcular a distancia ao horizonte, a partir da altitude de uma só estação e sabendo o factor K pode-se utilizar a seguinte formula.

DR = Distancia em Km do horizonte

Hs = Altitude acima do nível do mar

K = Factor do raio efectivo da Terra (K = 1, 33 numa atmosfera standard)

Dr = SQR (12, 75 x Hs x K)

SQR = raiz quadrada

Refracção em linha de vista

Esta é a forma mais comum de propagação em frequências elevadas e só é afectada pelos obstáculos que se encontram no trajecto assim como com as condições atmosféricas existentes entre as estações. Teoricamente as comunicações em VHF e frequências mais elevadas não deviam ir alem do horizonte visual., mas como todos sabemos na prática isso não acontece e pode-se comunicar muito para alem do horizonte visual mesmo em condições normais. Isso acontece devido à existência de reflexões e refracções no trajecto da energia electromagnética. Devido a que a uma relativa altitude o ar se torna mais rarefeito as ondas electromagnéticas junto da superfície terrestre tendem a deslocar-se mais lentamente produz-se o efeito de refracção para baixo, fazendo deste modo com que as ondas de rádio acompanhem de alguma forma em percursos não muito longos a curvatura da Terra.

Em condições de grandes inversões de temperatura pode-se dar exactamente o contrario, nomeadamente se junto à superfície existir uma camada de ar quente, logo sobreposta por uma de ar mais frio. Nesta forma as ondas electromagnéticas, devido à maior densidade do ar frio deslocam-se mais rapidamente à superfície da terra provocando deste modo uma curvatura para cima. O grau de refracção pode ser maior ou menor e depende essencialmente do factor “k”. o Factor k tem um valor de 1,33 num clima temperado e em condições normais de pressão e temperatura. Estes fenómenos provocam muita confusão em alguns radioamadores pouco familiarizados com estas questões devido a que produz um fenómeno conhecido na nossa gíria como propagação unilateral, ou seja: escutam bem uma estação que esta numa zona alta mas não chegam lá ou chegam bem e escutam mal. Na figura está mais ou menos a caracterização deste tipo de propagação.

Outro factor que tem influencia na propagação para alem da linha de vista é o facto de as ondas electromagnéticas se reflectirem em objectos que encontrem no seu percurso mudando deste modo a sua direcção. Esta é uma forma comum de propagação e sobejamente conhecida de todos.

Refracção em linha de vista por diferença de temperatura

Neste caso a estação mais baixa chega bem à estação mais alta mas escuta mal. Se as condições de temperatura na zona de refracção se inverterem então a estação mais baixa escuta bem a mais alta mas chegará mal

Ponto Especular

O ponto especular é o ponto no horizonte onde se reflecte a radiação duma antena real transformando esta radiação em radiação imagem. Este ponto pode representar um problema em frequências elevadas já que a radiação provocada neste ponto vai desfasada de 180º e ao chegar a uma antena receptora pode anular os sinais que chegam sem reflexão. A reflexão especular ocorre sobretudo em polarização horizontal em superfícies com boas características reflectoras como sejam as grandes superfícies de agua. Quando se efectuam os cálculos para uma ligação em SHF, normalmente tem-se em atenção as grandes superfícies de agua no percurso, e monta-se o sistema de forma a que o iluminador do reflector parabólico não veja esta superfície, utilizando-se muitas vezes uma bainha metálica cilíndrica que se coloca no perímetro da parabólica.

Protecção da reflexão especular numa parabólica

Determinação do ponto especular entre duas estações com uma superfície reflectora ( por exemplo um lago) entre elas.

Refracção troposferica

Esta é a mais vulgar das refracções e ocorre quase sempre em maior ou menor quantidade, e é a que permite na maioria dos casos contactos em VHF e frequências superiores contactos para lá do horizonte visual.

A troposfera não é um meio homogéneo como tal a temperatura a pressão o grau de humidade e a composição do ar variam muito, principalmente acima dos 10 Km.

O ar torna-se menos denso, a temperatura e a pressão também baixam fazendo com que as ondas de rádio ao atravessarem este meio menos denso se refracte e se incline de novo para a Terra.

Quando o ângulo de refracção é igual ou superior à curvatura da Terra ocorre a propagação por conduta.

Ganho por obstáculo

Quando entre duas estações se encontra um obstáculo que poderá ser uma montanha, em certas condições pode-se dar um fenómeno conhecido por “efeito fio de navalha”, ou ganho por obstáculo.

Quando a energia electromagnética progride no espaço e atinge o cume de uma elevação a parte de baixo deste feixe electromagnético sofre uma desaceleração e tende a refractar-se para baixo, permitindo desta forma que estações que se encontrem para lá do obstáculo sejam escutadas com sinais fortes.

Este efeito é tanto mais acentuado quanto mais fino for o topo do obstáculo. Daí o nome de “fio de navalha” ou “knif – edge diffraction”.

Difração por efeito fio de navalha ( Knif- edge diffraction )

Propagação por reflexão lunar (EME)

Como o nome indica, esta é uma forma de se comunicar a grandes distancias em frequências muito elevadas usando a lua como reflector. É uma forma de comunicar utilizada por radioamadores experientes e empenhados nas técnicas de comunicações, já que é uma forma difícil de comunicar, não só porque o equipamento normalmente é especialmente concebido para o efeito, como também porque devido à enorme distancia (entre 707.000 e 806.000 km) e também à atenuação que sofre a energia electromagnética na reflexão, são necessários muitas centenas de watts e antenas de alto ganho para se conseguirem resultados práticos. A titulo de exemplo, em 144 MHz a atenuação do trajecto numa comunicação EME é cerca de 225dB. Actualmente em Portugal poucos amadores se dedicam a este interessante mas difícil modo de comunicação. No entanto, radioamadores como CT1DMK, tem tido bastante êxito e impacto a nível internacional neste modo, inclusive em frequências tão altas como 10GHz.

Propagação por “efeito de conduta”

Este tipo de propagação ocorre sobretudo devido à variação dos índices de refracção na zona que divide uma camada de ar quente e uma de ar frio. Tem uma certa analogia com o que foi dito sobre a refracção em linha de vista, mas aqui as massas de ar poderão ser muito maiores e a maiores altitudes. Do tamanha destas massas e da altitude das mesmas dependerá a distancia a que será possível a comunicação.

A inversão de temperatura pode ocorrer a partir duma superfície meteorológica com extensões que podem superar os 1500 Km, possibilitando deste modo comunicações a distancias muito interessantes.

Normalmente este tipo de propagação acontece sobre o mar e em zonas de costa.

Este tipo de propagação é raro acontecer para frequências abaixo dos 144 MHz.

Em Portugal é normal acontecer este fenómeno e muitos tem sido ao amadores que comunicam com as ilhas da Madeira, Açores e mais frequentemente ainda com as ilhas Canárias, através deste tipo de propagação.

Aproveitando a propagação por efeito de conduta já me foi possível estabelecer contactos com as ilhas inclusive em 1296 MHz e com sinais acima de S9.

Propagação por conducta

Propagação por “Esporádica E”

Este tipo de propagação é muito conhecido dos radioamadores, por possibilitar contactos em frequência acima de 144 MHz a distancias superiores a 2000 Km.

Como o nome indica, este tipo de propagação ocorre quando existem zonas da camada “E” fortemente ionizadas, capazes de reflectir a energia electromagnética em frequências bastante elevadas. Devido à sua altitude, (entre 80 e 100 Km) é possível fazer contactos por rádio em frequências elevadas a distancias que em condições normais seriam impossíveis.

Este tipo de propagação, acontece mais sobre as plataformas continentais, e é normalmente de curta duração. A possibilidade de se fazer contactos por “esporádica E” pode variar entre alguns minutos e cerca de uma hora, mas muito raramente se estende para alem desse tempo.

É muito comum nestas condições sinais extremamente fortes na banda de 144 MHz de estações situadas a distancias superiores a 1500 Km.

Vá fazendo umas escutas em 144.300 em SSB (USB) principalmente durante os meses de Maio e Junho.

Propagação por dispersão transequatorial

Este tipo de propagação ocorre especialmente nas frequências mais baixas da banda de VHF, no caso dos amadores nos 50 MHz. Permite comunicações a distancias muito grandes, que poderão chegar a 10.000 Km ou até mais.

Este tipo de propagação é provocada por anomalias na camada F sobre a zona do equador magnético e permite uma reflexão dupla sem que a onda de rádio venha reflectir-se na Terra. Para fazer comunicações através deste tipo de propagação é necessário que ambas as estações estejam numa posição em que o ângulo de incidência no ponto de reflexão seja ideal, e normalmente as condições são só possíveis quando a direcção da radiação atinge perpendicularmente a zona de reflexão, ou seja N-S ou S-N e que ambas as estações estejam à mesma distancia do equador geomagnético.

Propagação por tropodispersão

Este tipo de propagação é provocado por irregularidades em determinadas zonas da atmosfera em que o índice de refracção bem como as condições de humidade e temperatura diferem das zonas circundantes. A esta zona de dispersão chama-se “volume comum de dispersão”. Os sinais recebidos por dispersão troposférica são geralmente débeis e variáveis devido a que o sinal é reflectido e dispersado, de modo que apenas uma pequena parte chega ao receptor. Por tal os sistemas que utilizem este tipo de propagação são equipados com antenas de alto ganho e de feixe estreito e normalmente os emissores são de potência elevada. Todavia conseguem-se sinais mais estáveis a distancias para alem de 500 Km. Este meio de propagação pouco uso tem nos dias actuais e não é muito usual nos meios de amador. Era este processo que à umas dezenas de anos atrás, antes do aparecimento dos satélites se usava para assegurar as comunicações telefónicas entre países, pelo que se utilizavam complexos sistemas de antenas e também emissores de alta potência funcionando por volta de 900 MHz.

Propagação Auroreal

Como o nome indica este tipo de propagação serve-se das propriedades reflectoras das Auroras Boreais para se comunicar a distancias que poderão chegar a 3000 Km em frequências que vão desde os 100 MHz a cerca de 400 MHz. As características de reflexão das auroras varia muito rapidamente o que provoca muita distorção nos sinais de fonia, pelo que se utiliza muito os contactos em CW de alta velocidade.

As auroras ocorrem em zonas da Terra em que o ar é mais rarefeito como sejam nos pólos. A estas zonas chamam-se zonas de máxima ocorrência auroreal.

No hemisfério Norte esta zona Está compreendida entre a Noruega, Groenlândia e Centro do Canadá, voltando através do Alasca, Sibéria até à zona Norte da Europa.

Este tipo de fenómeno prejudica substancialmente as comunicações em ondas curtas, não só pelo ruído que provoca mas também pela forte atenuação que produz nos sinais de HF que a atravessam.

Apenas os radioamadores que estejam localizados nas zonas auroreais ou nos limites das mesmas podem utilizar este tipo de propagação.

Propagação por “meteoscatter”

Este tipo de propagação é provocado pela entrada na atmosfera de meteoros por pequenos que sejam. À volta da trajectória destes corpos celeste, quando atravessam a camada “E” forma-se uma zona fortemente ionizada em forma cilíndrica, estreita mas muito longa, que permite a reflexão dos sinais de frequências elevadas. Esta zona ionizada é de curta duração, mas quando uma grande quantidade de meteoritos entra ao mesmo tempo na atmosfera, como é o caso das chuvas de meteoritos, criam-se bastantes zonas reflectoras o que permite o estabelecimento de contactos via rádio embora de curta duração. Este modo de comunicação é bastante comum entre os radioamadores. Estes amadores são pessoas experientes e estão sempre a par dos avisos de chuva meteoritica para poderem apontar as antenas na altura certa, e fazer uns comunicados bastante interessantes.

Apontamentos Finais

Para terminar quero apenas referir que alem destes tipos de propagação mais usuais, existem outros que pela sua natureza aleatória e pelas suas inconstantes características não irei falar sobre eles. No entanto e a titulo de exemplo refiro apenas alguns, como sejam o caso das reflexões em aeronaves, ou em superfícies frontais com diferenças de temperatura na sua progressão. Estas ultimas ocorrem geralmente em zonas do globo com características determinadas, e podem ocorrer em qualquer época do ano. Um exemplo desta ultima são as condições que ocorrem com certa frequência na zona do Mar Mediterrâneo, quando os ventos quentes e secos, chamados os ventos “Siroccos”, originários do Deserto do Sahara, se encontram com superfícies mais frias e muito mais húmidas sobre o Mar Mediterrâneo. Estas superfícies podem-se estender desde a ilha da Madeira até mesmo ao Médio Oriente. Presumo que foi um destes tipos de propagação que no ano de 2000 possibilitou alguns contactos em 144.300 entre Portugal e Israel. Outro exemplo típico deste fenómeno foi um contacto que eu mantive com a estação de CT1FAK mas neste caso ambos tivemos de apontar as antenas para o Norte de África, pois com as antenas apontadas uma estação para a outra não se escutava absolutamente nada. Todavia ambos com as antenas apontadas para a zona da Tunísia os sinais eram relativamente fortes, e estas condições mantiveram-se por varias horas.

Outros factores que tem muita influencia na propagação, especialmente em frequências acima de 1 GHz, são as chuvas, o nevoeiro, e as nuvens especialmente as baixas. No caso de chuvas intensas pode acontecer mesmo que em sinais de feixes Hertezianos, operando em frequências de vários gigahertzs se verifique o corte de comunicações.

Espero que com estes apontamentos que procurei que fossem simples, sem complicadas matemáticas e de fácil compreensão que os colegas fiquem a entender mais alguma coisa sobre os fenómenos que nos se deparam acerca da propagação.

Por: CT4RK – Carlos Mourato

Referências Bibliográficas:

ARRL HANDBOOK FOR RADIO AMATEURS

THE ARRL MICROWAVE EXPERIMENTERS MANUAL