Especialização em Engenharia de Redes de Telecomunicações

Especialização em Engenharia de Redes de Telecomunicações
Disciplina:Eletromagnetismo Especialização em Engenharia de Redes de Telecomunicações Prof. Dr. Ronaldo Oliveira dos Santos 21/04/2017

Sumário 1 - Espectro Eletromagnético
2 - Faixas de Frequências e os Principais Serviços oferecidos nestas faixas. 3 - Movimento Ondulatório 4 - Fenômenos Associados a Propagação de Ondas Eletromagnéticas. 5 - Parâmetros Constitutivos 6 - Classificação dos Meios materiais 7 - Eletrostática 8 - Magnetostática 9 - Aplicações. 21/04/2017

1 - O Espectro Eletromagnético
Fig. 1 – O espectro eletromagnético. 21/04/2017

2 - Faixas e bandas de Frequências
O espectro de frequências utilizado é dividido em faixas ou bandas e cujas características e designações internacionais são apresentadas a seguir. Fig. 2 – Faixas e bandas de frequências. 21/04/2017

2.1 - Principais serviços oferecidos
O WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access/Interoperabilidade Mundial para Acesso de Micro-ondas) é uma tecnologia wireless desenvolvida para oferecer acesso banda larga a distâncias típicas de 6 a 9 Km. Uma das principais aplicações do WIMAX é a oferta de acessos banda larga a Internet, como alternativa ao ADSL. Ele foi desenvolvido visando aplicações fixas, nômades, portáteis e móveis. Frequências disponíveis para Wimax no Brasil Faixa Regulamentação Freqüências (MHZ) Comentário 2,6 GHz Res. 429 (13/02/06) (FDD) (TDD) (FDD) Compartilhada com o MMDS 3,5 GHz Res. 416 (14/10/05) 3400 a 3600 em licitação 5 GHz Res. 506 (01/07/08) Não precisa de licença 21/04/2017

Wi-Fi Uma Wireless LAN (WLAN) é uma rede local sem fio padronizada pelo IEEE É conhecida também pelo nome de Wi-Fi, abreviatura de “wireless fidelity” (fidelidade sem fios) é marca registrada pertencente à Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA). Aplicações principais Redes locais internas de escritórios e residências, substituindo ou complementando redes que utilizam cabos coaxiais. Frequências disponíveis para Wi-fi no Brasil Freqüências Técnica de Modulação Taxa de Dados 802.11b ,5 MHz DSSS até 11 Mbit/s** 802.11g DSSS, OFDM até 54 Mbit/s 802.11a MHz MHz* MHz OFDM 21/04/2017 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) é a sequência direta de espalhamento do espectro.

Frequências de 3G no Brasil A Anatel alocou as frequências de 1900/2100 MHz para implantação da 3G no Brasil. Não existe, no entanto, impedimento para se utilizar outras faixas de frequências para 3G. Vivo, Telemig e Claro implantaram suas redes 3G em 850 MHz. Subfaixa (MHz) Largura de Banda (MHz) Transmissão da Estação Móvel ERB F 15+15 G 10+10 H I J 10=10 Subfaixa de Extensão 5 5 * * 21/04/2017

Frequências de 4G no Brasil A melhor faixa de frequência para a implantação de 4G é a de 700 MHz, liberada com o fim da transição da TV Aberta analógica para a digital. No Brasil isto deve ocorrer em 2016. A Anatel destinou para o 4G (Res. 544 de 11/08/2010) a faixa de frequências de MHz a MHz anteriormente destinada ao MMDS. Subfaixa (MHz) Largura de Banda (MHz) Transmissão da Estação Móvel ERB P 10+10 W 20+20 V1 V2 X T 15 * U 35 * 21/04/2017

TV Digital: A TV aberta (terrestre) transmitida para os televisores existentes em 90% das residências brasileiras utiliza canais analógicos com largura de banda de 6 MHz. Na TV Digital a transmissão do áudio e do vídeo passa a ser feita através de sinais digitais que, codificados, permitem um uso mais eficiente do espectro eletromagnético, devido ao aumento da taxa de transmissão de dados na banda de freqüências disponível. É possível desta forma transmitir: Som e imagem de melhor qualidade viabilizando a Televisão de Alta Definição (HDTV). A resolução da imagem na TV analógica que é de 400 x 400 pixels poderá ser de até 1920 x 1080 pixels. Mais canais (até 4) na mesma faixa de freqüências utilizada por um canal analógico. A TV digital apresenta algumas funcionalidades que permitem uma interatividade entre o telespectador e a emissora possibilitando: O acesso à informações adicionais como por exemplo o menu de programação. A interação do usuário com a emissora, através de um canal de retorno via linha telefônica por exemplo, possibilitando a este votar ou fazer compras. 21/04/2017

TV Digital em Belém/PA Entidade Canal Atual Freq (MHz) Portaria MC Consignação Fundação de Telecomunicações do Pará - Rádio Guajara Ltda TVSBT Canal 5 de Belém S/A 26 492 (06/08/2009) Televisão Liberal Ltda 21 494 (10/08/2009) Rádio e Televisão Marajoara Ltda 22 493 (06/08/2009) Sistema Clube do Pará de Comunicação 35 Fundação Nazaré de Comunicação 20 978 (30/11/2009) 21/04/2017

21/04/2017 Fig.3 – Parte do espectro de sinal de TV , analisado na cidade de Belém.

Enlaces Rádio A tabela a seguir apresenta as frequências disponíveis no Brasil para implantação de enlaces rádio digitais ponto a ponto, juntamente com as capacidades permitidas e regulamentação aplicável. (Clique na Norma ou Resolução para detalhes). Freq.(GHz) Faixa (MHz) Taxa(Mbit/s) Regulamentação 0,4 406,10-413,05 423,05-430,0 0,064 -0,32 Res. 169 ver res 395 05/10/99 413,05-423, 2,4,2x2,8,4x2 Norma 07/97 04/06/97 1,5 1473, , 2 Res. 198 16/12/99 21x2, 34 e 51 Res. 240 29/11/00 4 140 e 155 Res. 103 26/02/99 5 Res. 104 25/02/99 6 Res. 105 34, 51 e 2x34 Res 504 * 14/05/08 7 2 a 155 Norma 01/95 18/05/95 8 Res. 310 19/09/02 8,5 2 a 51 Res. 106 11 Norma 16/94 06/05/94 15 2 a 17 Res. 129 26/05/99 18 8x2 a 155 Norma 15/96 22/10/96 2 a 8 Norma 04/91 22/10/91 23 Norma 17/94 Norma 27/94 18/08/94 16/12/94 Norma 03/92 05/01/93 25-31 34 a 155 Res. 342 16/07/03 38 Res. 374 15/07/04 21/04/2017 * Revogou a Res. 346 de 29/07/03

Outros Serviços Freqüências que não precisam autorização
Freqüências que não precisam autorização São as freqüências para equipamentos de Radiocomunicação Restrita definidas em: Regulamento sobre Equip. de Radiocomunicação de Radiação Restrita. Wi-Fi, Rádio Spread Spectrum utilizam as seguintes faixas de frequências: ,5; ; ,5; MHz. Dica As normas e resoluções que regulamentam a utilização destas faixas de freqüências podem ser consultadas na seção de radiofreqüência do site da Anatel. Elas estão disponíveis em um sistema interativo denominado Plano de Destinação de Faixas de Freqüências (PDFF). documento.asp?numeroPublicacao=214781&assuntoPublicacao=null&caminhoRel=Cidadao&filtro=1&documentoPath= pdf 21/04/2017

3 - Movimento Ondulatório
Ondas e partículas são dois grandes conceitos da física. Estes conceitos são bastantes diferentes. Partícula sugere uma pequena concetração de matéria capaz de transmitir energia. Onda sugere o oposto, ou seja, uma grande distribuição de energia no espaço por onde ela passa. Tipos de Ondas: Ondas Mecânicas (governadas pelas leis de Newton e necessitam de meio material para se propagarem) Ondas eletromagnéticas (governadas pelas equações de Maxwell. Não precisam de meio material para a sua propagação) 21/04/2017

Aplicação: Propagação de ondas eletromagnéticas
Fig. 3 – Propagação de ondas eletromagnéticas. 21/04/2017

Deslocamento Fase Termo Oscilatório Amplitude Número de onda Frequência angular Fig. 4 – Nomes de grandezas para uma onda senoidal transversal. 21/04/2017

O comprimento de onda de uma onda é a distância entre repetições da Forma de onda. Amplitude Ângulo (graus) 21/04/2017 Fig. 5 – Definição de comprimento de onda.

O período da onda é o tempo necessário para que um determinado Ponto da onda realize uma oscilação completa. Amplitude Tempo (segundos) Relação entre f e T Fig. 6 – Definição de período. 21/04/2017

Outras relações importantes Problema: Uma onda que se propaga ao longo de uma corda é descrita por: As constantes numéricas estão no SI, Calcule a amplitude da onda, o Comprimento de onda, o período e a frequência desta onda. 21/04/2017

4 - Fenômenos Associados à Propagação da onda.
Difração: Fenômeno físico que ocorre quando uma onda é limitada no seu avanço por uma abertura ou obstáculo com dimensões da ordem de grandeza do comprimento de onda. Fig. 7 – Faixas e bandas de frequências. 21/04/2017

Interferência: Fenômeno associado a sobreposição de ondas eletromagnéticas de mesmo comprimento de onda. - O principal efeito decorrente da interferência é a degradação do sinal (redução do seu nível/qualidade) 21/04/2017 Fig. 9 – Sinais digitais de um ponto de acesso da marca D-link.

Interferência: Fenômeno associado a sobrposição de ondas eletromagnéticas de mesmo comprimento de onda. - O principal efeito decorrente da interferência é a degradação do sinal (redução do seu nível/qualidade) 21/04/2017 Fig. 10 – (a) Interferência de sinais digitais em canais adjacente.(b) Sinal de blootooh.

Ondas estacionárias: Se duas ondas senoidais de mesma amplitude e mesmo comprimento de onda se propagam em sentidos opostos ao longo de uma corda esticada, a interferência de uma com a outra produz uma onda estacionária. 21/04/2017 Fig. 7 – Onda estacionária gerada ela interferência entre duas ondas..

Ressonância: É a tendência de um sistema a oscilar em máxima amplitude em certas frequências. Exemplo: Para manter o sistema massa-mola vibrando você precisa injetar energia balançando a mão. Se não fizer isso, o sistema amortece e pára. E então você nota uma coisa curiosa. Balançando a mão devagar, com baixa frequência, a amplitude do sistema se mantém mas é sempre pequena. Na figura ao lado, fo é a frequência natural do sistema, isto é, a frequência com a qual ele "gosta" de vibrar. A frequência do movimento de sua mão é f, que é menor que fo. O gráfico mostra que a amplitude, nesse caso, é pequena. 21/04/2017

Aumentando gradualmente a freqüência do balançado da mão você nota que a amplitude do movimento da massa vai aumentando rapidamente. Observe que a amplitude do movimento de sua mão é sempre a mesma, quem vai aumentando é apenas a freqüência. Com um pouco de prática você logo descobre uma freqüência certa f do movimento de sua mão para a qual a amplitude do movimento da massa é máxima. Essa freqüência é exatamente a freqüência natural do sistema, isto é, f = fo. o movimento de sua mão e o movimento do sistema massa-mola entraram em ressonância. 21/04/2017

Exemplos de Ressonância. Fig. 8 – Perda de retorno para uma antena monopolo. Fig. 9 – Ponte de Tacoma. 21/04/2017

Reflexão: É o fenômeno que ocorre quando uma onda incide sobre um obstáculo e retorna ao meio de propagação com mesmo ângulo da onda incidente. 21/04/2017 Fig. 10 – Reflexão de um raio.

Exemplo de Reflexão: Sistema de Comunicação por tropo difusão. É um sistema rádio na faixa de 900 MHz a 2GHz, usado para efetuar o enlace entre pontos distantes de 100 até cerca de 400 quilômetros, valendo-se da reflexão das ondas no alto da troposfera 21/04/2017 Fig. 11 – Antena utilizada no sistema de comunicação por tropodifusão.

Refração: Fenômeno associado a variação da velocidade da onda quando esta passa de um meio para outro. Ionosfera Superfície da terra Dois saltos Um salto Antena Transmissora Antena Receptora 80 Km 21/04/2017

Dispersão: O índice de refração para qualquer onda depende do comprimento de onda. Quando um feixe luminoso é formado por raios de luz de diferentes comprimentos de onda o ângulo de refração é diferente fazendo com que haja o espalhamento do raio incidente. Fenômeno causado pela refração do raios que ocorre em virtude tendo como consequência a separação de uma onda em várias componentes espectrais de diferentes freqüências. Este efeito limita a utilização de fibras multimodos em longa distância. Fig. 12 – Dispersão cromática. 21/04/2017

Polarização: A polarização de uma onda eletromagnética que sai de uma antena é definida como o plano no qual se encontra o campo elétrico. Fig. 12 – Polarização do campo elétrico. 21/04/2017

As figuras animadas mostram uma onda com polarização linear vertical/Horizontal, mostrando apenas o vetor do campo elétrico (o magnético está sempre presente e a 90 graus físicos): 21/04/2017

A combinação de duas ondas linearmente polarizadas, uma vertical e outra horizontal, e eletricamente em fase, resulta em uma onda linearmente polarizada inclinada, como pode ser visto nas figuras animadas seguintes: 21/04/2017

A combinação de duas ondas linearmente polarizadas, uma vertical e outra horizontal, de mesma amplitude e eletricamente defasadas de 90 graus, resulta em uma onda circularmente polarizada. 21/04/2017

Skin depth – Profundidade de penetração. 21/04/2017 Fig. 13 – Profundidade de penetração do campo elétrico.

Efeito Capacitivo: Similar ao que ocorre em um capacitor, a energia fica armazenada entre os barramentos dos cabos, sendo que, neste caso, deve haver fluxo de corrente em um dos cabos. 21/04/2017

Efeito Indutivo: Similar ao que ocorre em um indutor, a energia é transferida de um condutor para o outro através de acoplamento magnético. 21/04/2017

5 - Parâmetros Constitutivos - Permissividade
Permissividade ( ): A permissividade é uma constante física que descreve como um campo elétrico afeta e é afetado por um meio. A permissividade do vácuo é F/m. A permissiividade de um material é usualmente dada com relação à do vácuo, denominando-se permissividade relativa, (também chamada constante dielétrica em alguns casos). A permissividade absoluta se calcula multiplicando a permissividade relativa pela do vácuo: 21/04/2017

Material εr vácuo 1 ar 1,0006 alumínio 8,1 - 9,5 esteatita (MgO-SiO2) 5,5 - 7,2 mica 5,4 - 8,7 óleo 4,6 papel 4 - 6 papel parafinado 2,5 plástico 3 polistireno 2,5 - 2,6 porcelana 6,0 pyrex 5,1 Vidro 3,8 – 14,5 Madeira (seca) 1,4 – 2,9 21/04/2017 Fig. 13 Tabela de valores da constante dielétrica Relativa.

Rigidez Dielétrica: A Rigidez Dielétrica corresponde ao maior valor do campo elétrico aplicado a um isolante sem que ele se torne um condutor. Essa rigidez varia de um material para outro. No caso do ar, sua rigidez dielétrica vale cerca de 3 x 106 N/C, assim, quando um campo elétrico no ar ultrapassar esse valor, ele deixa de ser isolante e torna-se condutor. 21/04/2017 Fig. 14 – Descarga atmosférica.

5 - Parâmetros Constitutivos - Condutividade
Condutividade elétrica (σ) é usada para especificar o caráter elétrico de um material. Ela é simplesmente o recíproco da resistividade, ou seja, inversamente proporcionais e é indicativa da facilidade com a qual um material é capaz de conduzir uma corrente elétrica. Os materias podem ser classificados de acordo com o valor da sua condutividade. Isolante Semicondutor Condutor (resistividade) 21/04/2017

21/04/2017 Fig Tabela de valores da resistividade.

6 – Classificação dos Meios materiais.
Meio Homogêneos – São materiais que não veriam a permissividade e condutividade na região que estão sendo consideradas. Quando a permissividade (condutividade) depende das coordenadas espaciais eles são ditos heterogêneos. Exemplo: A atmosfera é um exemplo típicos de meio heterogêneo. Sua permissividade varia com a altitude. Meios Isotrópicos – São materiais onde D e E estão na mesma direção. Caso contrário os meios são anisotrópicos. Exemplos de meios anisotrópicos: Materiais cristalinos e plasma magnetizado São exemplos de meios anisotrópicos. 21/04/2017

6 – Classificação dos Meios materiais.
Meio linear: Um material é dito linear se D varia linearmente com E. Caso contrário ele é não linear. 21/04/2017

7 - Eletrostática Carga elétrica é uma propriedade física fundamental que determina as interações eletromagnéticas. 21/04/2017

8 - Magnetostática 21/04/2017

Caracteriação dos meios de propagação de ondas eletromagnéticas
Caracteriação dos meios de propagação de ondas eletromagnéticas. (condutividade/resistividade) Valores para simulação. Os valores abaixo serão simulados pelo método FDTD1D. Vidro Madeira Metal Residência: Parede Externa epsr=5 e sig=0.02. 21/04/2017

9 - Aplicações 9.1 - Blindagem 9.2 – Aterramento
9.3 – Laudo Radiométrico 21/04/2017

9.1 - Blindagem 9.1.1 – INTRODUÇÃO: - O cabeamento estruturado tem como objetivo unificar a infraestrutura de cabeamento para os diversos sistemas e serviços de telecomunicações em edifícios comerciais. - O meio físico escolhido foi o cabo de pares trançados (cabos balanceados) sem blindagem, de 4 pares. 21/04/2017

9.1 - Blindagem - Os cabos UTP são encontrados em praticamente 100% das instalações de cabeamento estruturado. - Em 2007 os cabos blindados não alcançavam 2% de participação no mercado. - Com o avanço tecnológico das aplicações de altas velocidades em redes locais, os sistemas blindados passam a ser não somente mais seguros como necessários. Ex: Ethernet à 10 GB/s que apresentam melhor desempenho quando implementado em sistemas categoria 6A com cabos F/UTP. 21/04/2017

9.1 - Blindagem 9.1.2 – CONSIDERAÇÕES SOBRE ACOPLAMENTO ENTRE CIRCUITOS - O acoplamento entre circuitos de alimentação elétrica e cabos de telecomunicações pode acontecer devido a um ou mais dos seguintes fatores: ♦♦ acoplamento condutivo ♦♦ acoplamento capacitivo (devido a campos elétricos) ♦♦ acoplamento indutivo (devido a campos magnéticos) ♦♦ acoplamento eletromagnético (devido à combinação de campos elétricos e magnéticos) - Dos mecanismos de acoplamento citados, os que contribuem especialmente para a interferência eletromagnética são o acoplamento capacitivo e o acoplamento indutivo combinados. 21/04/2017

9.1 - Blindagem Acoplamento Condutivo: O acoplamento condutivo ocorre quando dois circuitos ou canais têm um ramo comum, conforme mostra a figura seguinte: Fig. - Acoplamento condutivo. 21/04/2017

9.1 - Blindagem OBS: Sendo o circuito 1 de alimentação elétrica e o circuito 2 um canal de telecomunicações, normalmente uma corrente parasita acoplada ao circuito 1 devido a sinais que se propagam pelo circuito 2 não tem potência suficiente para causar interferência importante no circuito de alimentação elétrica. No entanto, o efeito oposto pode ser significativo, uma vez que os circuitos de alimentação elétrica podem introduzir correntes com potências suficientes para causar problemas de transmissão de sinais nos canais de telecomunicações, em sua maioria implementados com cabos UTP. Na prática, o acoplamento condutivo ocorre com certa frequência entre dois canais ou circuitos que usam a terra como condutor elétrico (modo comum). Embora esse tipo de acoplamento seja bastante comum e importante do ponto de vista de interferência causada por circuitos de alimentação elétrica sobre os canais de telecomunicações, o acoplamento condutivo não é parte dos mecanismos de interferência eletromagnética. 21/04/2017

9.1 - Blindagem Acoplamento Capacitivo: O acoplamento capacitivo ou acoplamento por campos elétricos ocorre entre cabos de alimentação elétrica e cabos de telecomunicações instalados paralelamente ao longo de um percurso em um dado encaminhamento. Quanto maior o percurso de carregamento paralelo, maior o efeito do acoplamento capacitivo. 21/04/2017

9.1 - Blindagem Acoplamento Indutivo: O acoplamento indutivo ocorre devido à indutância mútua entre dois ou mais canais, conforme apresenta a figura seguinte.. Fig. - Acoplamento indutivo. 21/04/2017

9.1 - Blindagem OBS: Quando uma corrente flui em um circuito (interferente) terminado com uma impedância de carga (uma placa de rede ou uma porta de switch, por exemplo), ela produz um fluxo magnético que é proporcional a essa corrente. O fluxo magnético induz uma tensão de ruído (Vruído) no circuito interferido que vai gerar uma corrente de modo comum neste que também será responsável pela introdução de ruído adicional no circuito interferido. O acoplamento indutivo ou magnético é o principal responsável pelo acoplamento de diafonia entre dois canais. A geometria dos condutores do cabo usado para a transmissão de sinais, bem como o arranjo geométrico entre dois canais no espaço, é fator importante no que diz respeito ao valor da indutância mútua entre eles e, consequentemente, do nível de interferência. 21/04/2017

9.1 - Blindagem Acoplamento Eletromagnético: São os efeitos combinados dos campos elétrico (provenientes de acoplamentos capacitivos) e magnético (provenientes de acoplamentos indutivos). Esses efeitos são responsáveis pela interferência de diafonia (crosstalk) entre pares adjacentes em cabos de telecomunicações. 21/04/2017

9.1 - Blindagem - A redução dos efeitos da interferência eletromagnética (EMI, Electromagnetic Interference) em sistemas de cabeamento de cobre pode ser obtida pela aplicação de uma ou mais das seguintes técnicas: ♦♦ Blindagem ♦♦ Balanceamento ♦♦ Aterramento ♦♦ Filtragem 21/04/2017

9.1 - Blindagem - A técnica de balanceamento (que se obtém quando os condutores são trançados em pares e fontes de transmissão de sinais simétricas são usadas) é uma das técnicas para melhorar a resposta do cabo do ponto de vista de EMI. Assim, para suprimir (ou reduzir) os efeitos da interferência eletromagnética na transmissão de dados e voz, os cabos de pares são trançados e/ou envolvidos em uma blindagem. A combinação de ambas as técnicas, balanceamento e blindagem, oferece uma solução mais eficiente. 21/04/2017

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