65ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 8. Engenharia Elétrica

Modelagem por Elementos Finitos da Influência da Maritimidade na Propagação de Ondas Eletromagnéticas

Murilo Teixeira Silva - Departamento de Tecnologia Eletro Eletrônica – IFBA Lurimar Smera Batista - Prof. Dr./Orientador - Departamento de Ciências Aplicadas – IFBA

INTRODUÇÃO:

Na Engenharia Elétrica, os campos eletromagnéticos têm sido objeto de estudo desde o desenvolvimento das telecomunicações, no século XIX. Os campos eletromagnéticos são utilizados como meio de transporte de informações, sendo a partir destes que os sinais de satélites, celulares, rádio e televisão são transmitidos. Estes campos são divididos em campos elétricos e magnéticos, que se transportam ortogonalmente no espaço, com comportamentos definidos pelas Equações de Maxwell. A partir destas equações, é possível relacionar os dois campos, obtendo-se as equações de onda eletromagnética. Ao se propagar pelo espaço a partir de uma fonte distante, o campo eletromagnético encontra meios de diferentes condutividades no trajeto, atenuando o sinal emitido. Devido à multiplicidade de fatores envolvidos, a simulação computacional é bastante empregada na análise de campos eletromagnéticos. Em meios com condições físicas complexas, o Método dos Elementos Finitos é o mais indicado para simulações. O estudo da propagação de ondas eletromagnéticas em diferentes regiões é de grande importância para as telecomunicações, principalmente para a melhoria da cobertura do sinal.

OBJETIVO DO TRABALHO:

Estudar comparativamente, através de simulação, a propagação das ondas eletromagnéticas em regiões litorâneas não urbanas, urbanas e continentais urbanas, sob duas frequências diferentes, analisando a influência dos meios de propagação sobre a amplitude do sinal.

MÉTODOS:

Para o estudo, selecionaram-se três modelos de estruturas: região litorânea urbana, região litorânea não urbana e região continental urbana. Os modelos são submetidos à ação do campo elétrico em duas frequências de emissão: 1 kHz e 1,85 GHz. A primeira frequência, 1 kHz, possui boa penetração nos materiais e por isso seu uso é mais comum em estudos geofísicos. Já a frequência de 1,85 GHz, foi selecionada para estudo por ser a frequência média do downlink de uma rede de telefonia GSM de terceira geração (3G), da banda DCS-1800, de amplo uso comercial. A partir destas informações, utilizou-se o Método dos Elementos Finitos em um simulador construído em linguagem de programação C, de onde foram obtidos resultados utilizados na análise. A abordagem apresentada permite uma comparação das amplitudes de sinal sob mesmas condições de emissão, variando apenas o meio em que se propagam. Este fato permite observar a influência dos meios de propagação na amplitude do sinal nas regiões de estudo.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

Inicialmente são analisados os resultados para frequência de emissão de 1 kHz. Na região litorânea não urbana observa-se uma clara diferença na amplitude do sinal na faixa litorânea e na faixa continental. Esta variação se dá pelas diferentes condutividades dos meios de propagação. Já na região urbana, há uma atenuação no sinal máximo em comparação à região não urbana, devido à baixa resistividade do concreto. Na região continental urbana o sinal apresenta um comportamento praticamente linear com variações graças à presença do concreto, mas com amplitude consideravelmente maior em relação aos outros casos. Em seguida, analisam-se os resultados para frequência de emissão de 1,85 GHz. Na região litorânea não urbana, o campo apresenta um comportamento linear devido à alta frequência de emissão em relação às resistividades das estruturas. Com a presença do concreto na região litorânea urbana, a amplitude de sinal foi imediatamente alterada, impactando a amplitude mesmo em regiões sem concreto. Na região continental urbana, observa-se o efeito atenuante do concreto sobre o sinal, com comportamento similar ao solo. A ausência do meio de suspensão salina, que reduz a resistividade do ar, contribuiu para o aumento da amplitude máxima do sinal nas regiões continentais.

CONCLUSÕES:

Em face dos dados apresentados e discutidos, observa-se que existe uma distorção na amplitude do sinal emitidos da fonte devido ao contraste de resistividades na região litorânea, e que as regiões urbanas apenas agravam esta diferença, o que diminui a amplitude do sinal na região de terra, em comparação com as regiões em que não há presença da zona urbana. Conclui-se também que, mesmo na ausência do meio condutor no modelo continental, continua havendo uma alteração no sinal devido à presença da zona urbana. Estes efeitos podem ser observados tanto em ondas de frequências altas, ditas não penetrantes, como em baixas frequências, ditas penetrantes. Os resultados apresentados podem ser utilizados na engenharia para estudos de atenuação de sinal, considerando meios com grandes contrastes de resistividade elétrica. Estes dados ainda podem ser utilizados podem ser utilizados para planejamento de instalações de antenas repetidoras, pois uma vez detectados os pontos onde o sinal sofre atenuação e suas causas, pode-se planejar melhor as zonas de cobertura.

Palavras-chave: Telecomunicações, Propagação de sinal, Modelagem computacional.