Alcance máximo da comunicação por rádio

Muitos fabricantes de dispositivos de rádio especificam um parâmetro chamado “alcance máximo de transmissão (em campo livre)”. O termo “em campo livre” refere-se a uma condição teórica e ideal em que as ondas de rádio se propagam no vácuo, ou seja, em condições não disponíveis para os utilizadores típicos do sistema sem fio, por exemplo, um sistema de alarme de intrusão.

Este artigo trata das condições reais de propagação de ondas de rádio com referência às bandas ISM (inglês Industrial, Scientific, Medical equipment – equipamentos industriais, científicos, médicos). Estas bandas são usadas, nomeadamente, pelos dispositivos de classe I (ou seja, dispositivos que podem ser usados sem uma licença de rádio) para aplicações industriais, científicas, médicas e domésticas. Actualmente, as bandas ISM são classificadas em diferentes grupos (tabela 1).

Tab. 1. Grupos de bandas ISM

Deve-se ter em conta que a tabela acima mostra as faixas de frequência que são reguladas dentro da União Europeia. A transmissão de rádio, nas bandas ISM, é limitada, nomeadamente, é possível atribuir aos canais seleccionados um uso específico, por exemplo, vigilância. Outras limitações incluem a potência de saída, largura do canal ou período de uso da banda. Informações detalhadas estão disponíveis no Regulamento das Radiocomunicações da UIT, nas recomendações da UIT e no Quadro Nacional de Atribuição de Frequências.

UHF 433 MHz é a banda ISM mais utilizada. É usada por muitos dispositivos de rádio e é difícil encontrar um canal livre de interferências nesta banda, nomeadamente, em grandes áreas urbanas. Além disso, a faixa de frequência 433,05–434,79 MHz é destinada às aplicações amadoras. Portanto, há um risco de que os dispositivos de alarme que operam nesta banda possam ser perturbados por estações de radioamadorismo que operam em potências significativamente maiores de, aproximadamente, 100 W; em comparação, a potência dos dispositivos de alarme, nesta faixa, não excede 10 mW. Por essa razão, a maioria dos dispositivos de alarme actualmente fabricados opera em frequências mais altas, por exemplo, 868 MHz, 2.4 GHz ou 5.8 GHz. Em 868 MHz, o factor de ocupação da frequência é relativamente baixo, nomeadamente, em 868-869,7 MHz.

Em condições reais, o alcance máximo de transmissão pode ser várias vezes menor do que o alcance máximo de transmissão em campo livre. Existem muitos factores que influenciam a atenuação de onda.

O terreno pode ser dividido em três tipos básicos.

Fig. 1. Três tipos básicos de terreno: (1) espaço com obstáculos, (2) espaço semiaberto, (3) espaço aberto

A figura anterior mostra três tipos de espaços em que pode ser planeada a comunicação. Se a antena transmissora e a antena receptora não forem opticamente “visíveis” uma para outra (para bandas acima de 300 MHz), a comunicação não será possível (fig 1.1). Na fig. 1.2 (espaço semiaberto), a comunicação pode ser insatisfatória, pois a potência do sinal é baixa.

A onda de rádio com a frequência ISM pode ser atenuada por vários objectos, por exemplo:

– parede interna de um edifício - atenua o sinal de 10–15 dB,

– parede externa do um edifício - atenua o sinal de 2–38 dB,

– tecto – dependendo do material utilizado, atenua o sinal de 12–27 dB,

– janela - atenua o sinal de 2–30 dB, dependendo do material de construção do vidro e do gás utilizado para encher a câmara intermédia entre os vidros de uma unidade de vidro isolante. As janelas mais antigas com a câmara intermédia de uma unidade de vidro isolante enchida com ar não atenuam bem o sinal, no entanto, as janelas com a câmara intermédia de uma unidade de vidro isolante enchida com gás nobre atenuam o sinal em maior medida. Para comparar: o sinal atenuado de 30 dB é mil vezes mais fraco do que o sinal original (antes da atenuação).

A melhor solução consiste em instalar a antena receptora e a antena transmissora para que não haja obstáculos entre elas (fig. 1.3), e se o dispositivo transmissor estiver no exterior, a antena receptora também deverá ser instalada no exterior.

As antenas integradas podem reduzir a potência do sinal devido à sua construção.

É uma zona elipsoidal cujo eixo é uma linha recta entre o transmissor e o receptor (fig. 2). Na prática, a primeira zona de Fresnel determina, directamente, o alcance de transmissão.

Fig. 2. Primeira zona de Fresnel

Ao projetar o sistema de comunicação, deve-se evitar qualquer obstáculo, natural ou artificial, na primeira zona de Fresnel (a onda será atenuada e a comunicação poderá ser interrompida). Esta zona é uma área em que é transmitida a maior parte de energia do sinal.

É um fenómeno que descreve a propagação da onda (por exemplo, onda de rádio) em um meio. Para os detectores sem fio, alarmes e sistemas de videovigilância, a propagação descreve a propagação das ondas de rádio no ar.

Qualquer obstáculo com bordas lisas causa uma dispersão (atenuação) muito maior das ondas de rádio do que qualquer obstáculo com bordas afiadas. A propagação de ondas também pode ser influenciada pelas condições meteorológicas: ventos fortes, chuva ou tempestades podem causar o acúmulo de cargas electrostáticas na antena, causando interferência. Quanto mais intensa for a chuva, piores serão as condições de propagação de ondas, nomeadamente, em frequências mais altas.

O alcance máximo de transmissão e o modo de propagação da onda dependem directamente da sua frequência. Deve-se ter em conta que quanto maior for a frequência, menor será a sensibilidade do sinal a interferências e menor será o alcance.

A potência radiada (ERP ou EIRP) tem uma influência significativa sobre o alcance máximo de transmissão. ERP é determinada por: potência do transmissor, ganho da antena transmissora, atenuação da linha transmissor-antena transmissora (depende, nomeadamente, da qualidade dos cabos e conectores utilizados). ERP é uma combinação desses três parâmetros. A potência radiada é a potência real na saída da antena transmissora. O alcance máximo de transmissão também pode ser influenciado pela altura do centro eléctrico da antena (metros acima do nível do solo) e a altitude da base do mastro da antena (metros acima do nível do mar).

O receptor é caracterizado pelo ganho da antena receptora, sensibilidade e selectividade do receptor.

O ganho da antena receptora influencia a qualidade do sinal recebido e aumenta o alcance máximo de transmissão. A sensibilidade do receptor é uma medida da sua capacidade de receber sinais fracos. A selectividade, por sua vez, é uma medida da sua capacidade de separar o sinal útil de muitos outros sinais (por exemplo, interferências e ruído).

Tal como o factor de hardware do transmissor, o alcance máximo de transmissão também pode ser influenciado por: altura do centro eléctrico da antena (metros acima do nível do solo), altitude da base do mastro da antena (metros acima da nível do mar) e atenuação da linha receptor-antena receptora para o receptor.