Propagação e Radiação de Ondas Eletromagnéticas em Ambientes Urbanos Engenharia ...

141 Pages·2014·2.91 MB·Portuguese

Propagação e Radiação de Ondas Eletromagnéticas em

Ambientes Urbanos

Sérgio Daniel Dias Pereira

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Júri
Presidente: Prof. Doutor Fernando Duarte Nunes
Orientador: Prof. Doutor António Luís Campos da Silva Topa
Vogal: Profa Maria Emília Morais da Fonseca e Silva da Costa Manso

Fevereiro 2014
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II
À memória de familiares
que partiram cedo demais

“Nada na vida é mais belo e fascinante que o mistério. É a fonte fundamental de toda
a verdadeira arte e ciência. Aquele a quem é estranho este sentimento, é como se
estivesse morto: os seus olhos estão fechados.”
(Albert Einstein)
III
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IV
Agradecimentos

A entrega da Dissertação de Mestrado simboliza o fim de um longo e difícil capítulo na vida de
um estudante, repleto de altos e baixos, duvidas e incertezas, mas representa também uma importante
conquista e o começo de um novo capítulo. Estas linhas são a minha palavra de agradecimento às
pessoas que me acompanharam neste percurso e que deram um importante contributo para que fosse
possível levar o barco a bom porto.
Gostaria, em primeiro lugar, de expressar a minha profunda gratidão ao professor Dr. António
Luís Campos da Silva Topa pela confiança que depositou em mim ao ter aceitado orientar a minha
Dissertação de Mestrado. Gostaria ainda de manifestar o meu sentido agradecimento ao professor
António Topa, que na qualidade de orientador deste trabalho demonstrou sempre total simpatia,
paciência e disponibilidade para esclarecer as inúmeras dúvidas e problemas que surgiram na sua
realização. O seu contributo e disponibilidade foram fundamentais na realização deste trabalho e para
a minha formação académica.
Aos meus pais, Justina Pereira e Leonardo Pereira, a quem devo tudo o que sou, estiveram
sempre presentes e ajudaram-me a superar as maiores dificuldades que enfrentei. Estarei eternamente
agradecido por todo o amor, incansável dedicação e orientação que me deram em toda a minha vida,
e por toda a formação humana, educação, princípios, valores e sentido de responsabilidade que sempre
me transmitiram.
Aos meus tios, primos e avó Aurora também uma sentida palavra de agradecimento por todo o
carinho e incentivo que sempre me deram.
Ao meu amigo de sempre, Gonçalo Silva, que é como um irmão para mim e esteve sempre
presente nos momentos mais difíceis da minha vida.
Aos meus grandes amigos que tive o privilégio de conhecer no meu percurso académico, em
especial: Adélcio Rosa, Charles Maciel, Carlos Cheoo, Diogo Guerreiro, Elizângela Fernandes,
Guilherme Fernandes, Ivan St’Aubyn, Maria Taful, Ricardo Almeida e Sandro Neto. O meu muito
obrigado pela amizade, dedicação, sacrifício, camaradagem e espirito de união ao longo destes anos.
A minha profunda gratidão por tudo aquilo que me ensinaram, por todo o apoio e contributo que deram
para enfrentar as inúmeras batalhas que foram surgindo e por todos os momentos de convívio. Tudo o
que alcancei até hoje é graças a eles.
Por fim, dedico esta Dissertação à memória dos meus avós já falecidos, que nunca serão
esquecidos e que teriam certamente muito orgulho em presenciar o final deste importantíssimo capítulo
na minha vida.

V
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VI
Resumo

A área das comunicações móveis tem tido um grande crescimento nos últimos anos, e até à
data, a sua tecnologia encontra-se a ser difundida em todo o planeta a uma velocidade superior a
qualquer outro meio de comunicação. O ato de comunicar está no centro de todos os domínios da
atividade humana e para suportar o contínuo aumento do número de utilizadores deste serviço em todo
o mundo, os sistemas de comunicação móveis tornaram-se mais avançados e sofisticados.
Este trabalho consiste na investigação e análise de diversos temas relacionados com a
propagação de ondas eletromagnéticas em presença da terra e atmosfera. É realizado com base no
desenvolvimento de simulações em MATLAB®, que permitem uma melhor compreensão dos diferentes
fenómenos da radiopropagação em diversos ambientes.
As simulações abordam os seguintes temas: representação do campo elétrico com reflexão no
solo, representação do campo elétrico na vizinhança de obstáculos, traçado de raios numa atmosfera
estratificada horizontalmente, visualização dos efeitos de inversão do índice de refração na atmosfera
(miragens) e representação do campo elétrico em ambiente urbano no contexto das comunicações
móveis, segundo um modelo de propagação empírico e teórico.
Os modelos de propagação são indispensáveis para o desenvolvimento, projeção e análise de
novos sistemas de comunicação sem fios. São utilizados para prever os níveis de potência,
interferência e para analisar outras propriedades da ligação radio, com particular interesse em
ambientes urbanos, que são caracterizados por terem uma maior complexidade e elevada densidade
populacional.

Palavras-Chave

Radiopropagação; Radiação; Reflexão; Refração; Difração; Comunicações Móveis; Modelos de
Propagação;
VII
Abstract

In the last years the mobile communications industry has been growing dramatically, and up to
this day, wireless communication technology is diffusing around the planet faster than any other
communication technology. Communication is at the heart of human activity in all domains and to
support the continuously increasing number of mobile telephone subscribers around the world, mobile
communication systems have become more advanced and sophisticated in their designs.
This work consists on the investigation and analysis of some aspects related to electromagnetic
wave propagation in presence of the earth and atmosphere. To accomplish that, MATLAB® simulations
are developed to allow a better comprehension of the different radio wave propagation phenomena that
occur in certain environments.
The simulations are based on the following features: representation of the electric field
interference pattern due to ground reflection, representation of the electric field close to obstacles, ray
tracing in a horizontally stratified atmosphere, visualization of the effects caused by the inversion of the
refraction index in an atmosphere (mirages), and evolution of the electric field in an urban environment
(mobile communications scenario), according to an empirical and theoretical propagation model.
Propagation models are indispensable in the design and analysis of new wireless communication
systems. They are used to predict power, interference levels and analyze other properties of the radio
link, with a special interest in urban environments, which are characterized by having a higher complexity
and population density.

Keywords

Radio wave propagation; Radiation; Reflection; Refraction; Diffraction; Mobile radio; Propagation
Models;
VIII
Índice

Agradecimentos ...................................................................................................................................... V
Resumo .................................................................................................................................................. VII
Palavras-Chave ...................................................................................................................................... VII
Abstract ................................................................................................................................................ VIII
Keywords .............................................................................................................................................. VIII
Lista de Figuras ....................................................................................................................................... XI
Lista de Imagens ................................................................................................................................... XIV
Lista de Variáveis ................................................................................................................................... XV
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 1
1.1. Enquadramento histórico ............................................................................................................. 1
1.2. Motivação e objetivos ................................................................................................................ 12
1.3. Estrutura da dissertação ............................................................................................................. 13
1.4. Contribuições principais ............................................................................................................. 15
2. RADIOPROPAGAÇÃO ........................................................................................................................ 17
2.1. Introdução .................................................................................................................................. 17
2.2. Propagação em espaço livre ....................................................................................................... 19
2.2.1. Potência transmitida entre duas antenas ........................................................................... 19
2.2.2. Intensidade do campo ......................................................................................................... 22
2.2.3. Equação do radar ................................................................................................................ 23
2.2.4. Dipolo linear de meia onda ................................................................................................. 24
2.3. Reflexão no solo ......................................................................................................................... 27
2.4. Simulações .................................................................................................................................. 31
3. DIFRAÇÃO CAUSADA POR OBSTÁCULOS ....................................................................................... 43
3.1. Modelo Knife-edge ..................................................................................................................... 43
3.2. Simulações .................................................................................................................................. 47
4. REFRAÇÃO NA ATMOSFERA .......................................................................................................... 51
4.1. Índice de refração da atmosfera ................................................................................................ 52
4.2. Trajetória de um raio ótico numa atmosfera horizontalmente estratificada ............................ 53
4.2.1. Estratificação plana ............................................................................................................. 54
4.2.2. Estratificação esférica.......................................................................................................... 55
4.3. Raio de curvatura do raio ótico .................................................................................................. 56
4.4. Refratividade modificada ........................................................................................................... 57
IX
4.5. Propagação em Ductos ............................................................................................................... 59
4.5.1. Condições necessárias para a formação de ductos ............................................................. 60
4.6. Traçado de raios ......................................................................................................................... 62
4.6.1. Modelo exato ...................................................................................................................... 62
4.6.2. Modelo aproximado ............................................................................................................ 64
4.6.3. Modelo analítico para a trajetória ...................................................................................... 65
4.6.4. Cálculo do ponto de indeterminação .................................................................................. 66
4.7. Simulações .................................................................................................................................. 68
4.7.1. Uma camada atmosférica .................................................................................................... 68
4.7.2. Ducto superficial e sobrelevado .......................................................................................... 73
4.8. Miragens ..................................................................................................................................... 76
4.8.1. Miragens inferiores ............................................................................................................. 76
4.8.2. Miragens superiores ............................................................................................................ 79
4.8.3. Simulação de miragens ........................................................................................................ 80
5. MODELOS DE PROPAGAÇÃO EM AMBIENTES URBANOS .............................................................. 85
5.1. Cenário para o rádio móvel terrestre ......................................................................................... 88
5.2. Ambientes de macro-célula........................................................................................................ 90
5.2.1. Modelos empíricos .............................................................................................................. 90
5.2.1.1. Modelo Okumura ............................................................................................................. 91
5.2.1.2. Modelo Okumura-Hata .................................................................................................... 94
5.2.1.3. Factores de correção ........................................................................................................ 95
5.2.1.4. Extensão do modelo Okumura-Hata .............................................................................. 101
5.2.1.5. Campo total .................................................................................................................... 102
5.2.1.6. Simulações do modelo Okumura-Hata .......................................................................... 104
5.2.2. Modelos teóricos ............................................................................................................... 109
5.2.2.1. Modelo Walfisch-Bertoni ............................................................................................... 109
5.2.2.2. Efeito de multi-percurso................................................................................................. 110
5.2.2.3. Efeito de sombra e difração por filas múltiplas de edifícios .......................................... 112
5.2.2.4. Campo total .................................................................................................................... 114
5.2.2.5. Simulações do modelo Walfisch-Bertoni ....................................................................... 114
6. CONCLUSÃO ................................................................................................................................ 117
6.1. Principais conclusões ................................................................................................................ 117
6.2. Perspetivas de trabalhos futuros ............................................................................................. 119
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................................... 120
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