propagação de ondas electromagneticas
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1
PROPAGAÇÃO DAS ONDAS
ELECTROMAGNÉTICAS
2
ÍNDICETeoria ondulatória e teoria corpuscularEspectro EMCampo eléctrico e campo magnéticoPolarizaçãoFormação de ondas EMFenómenos de propagação (Reflexão, Difracção, Refracção e Atenuação)Propagação em VLF-LF-MFPropagação em HF (e em parte MF)IonosferaPropagação em VHF-UHF-SHF-EHF
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Ondas guiadas
Ondas livres
A transmissão dos sinais eléctricos entre dois pontos, pode realizar-se por:
PROPAGAÇÃO DAS ONDASELECTROMAGNÉTICAS
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Teoria CorpuscularTeoria Ondulatória
Fisicamente, a transmissão no espaço de sinais eléctricos irradiados a partir de uma antena, pode ser explicada através de duas teorias diferentes:
• Ambas as teorias são válidas para qualquer frequência.• A teoria corpuscular é particularmente útil nas bandas de: Infra-
Vermelhos (IR), Luz visível (LV) e Ultra-Violetas (UV)
PROPAGAÇÃO DAS ONDASELECTROMAGNÉTICAS
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A radiação EM é constituída por um fluxo de concentrações de energia - fotões - que se deslocam à velocidade da luz.
Um fotão é constituído por um trem de ondas EM
Fotão
Aumento da frequência
Aumento da energia do fotão
TEORIA CORPUSCULAR
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Campo Eléctrico (E)Campo Magnético (H)
A energia radioeléctrica transmite-se sob a forma de ondas electromagnéticas, que se propagam à velocidade da luz, sem necessidade de qualquer meio de suporte.Uma onda electromagnética é composta por dois campos oscilantes transversais:
TEORIA ONDULATÓRIA
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E
E
A
Z
Y
X
H
H
c
f
c= 300.000.000 m/s
= 162.000 mi/s
TEORIA ONDULATÓRIA
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FORMAÇÃO DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
• Imaginando uma antena elementar constituída por um fio condutor de determinado comprimento, ligado a uma fonte de corrente alterna, verifica-se o desenvolvimento de dois campos igualmente alternos.
• Devido ao movimento alternativo (num e noutro sentido), dos electrões no fio condutor, criam-se dois campos oscilantes entre si:
•Campo Eléctrico (E) (Paralelo ao condutor)
•Campo Magnético (H) (Perpendicular ao condutor)
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Neste condutor, a direcção da corrente eléctrica muda em cada semi-período, provocando uma mudança de sentido dos dois campos (E) e (H).As perturbações magnéticas e eléctricas do meio, em torno desta antena, repercutem-se em todas as direcções do espaço envolvente.Esta propagação faz-se à mesma velocidade em todas as direcções, num determinado instante.
FORMAÇÃO DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
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• Dipolo: antena elementar constituída por fio condutor • Comprimentos do dipolo: meio comprimento de onda
da frequência central• Movimento dos electrões induz onda EM
FORMAÇÃO DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
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•Os pontos do espaço em que os dois campos (E) e (H) estão em fase, situam-se sobre uma esfera centrada na antena.Esta esfera denomina-se:
FRENTE DE ONDAou
SUPERFÍCIE EQUIFÁSICA
FRENTE DE ONDA
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H
E
FRENTE DE ONDA
• E e H perpendiculares entre si• E e H perpendiculares à direcção de propagação• E paralelo à antena• H perpendicular à antena
Para grandes distâncias, a frente de onda pode considerar-se praticamente plana
Em qualquer ponto do espaço é possível detectar e medir E e H
E
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POLARIZAÇÃO DE UMA ONDA EM
• A polarização de uma onda EM é determinada pelo
campo eléctrico em relação ao solo
• Quando o campo eléctrico é perpendicular ao solo,
diz-se que a onda está polarizada verticalmente
(Polarização Vertical)
• Quando o campo eléctrico é paralelo ao solo, diz-se
que a onda está polarizada horizontalmente
(Polarização Horizontal)
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POLARIZAÇÃO DE UMA ONDA EM
• Conhecer a polarização de uma onda EM, é importante para a sua detecção, pois a antena de recepção deverá estar correctamente orientada no plano do Campo Eléctrico (E), de modo a captar um máximo de energia EM.
• Se tivermos uma antena disposta perpendicularmente ao Campo Eléctrico (E) não há indução de corrente, logo não há detecção.
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POLARIZAÇÃO VERTICAL
Dipole Antenna
E Field
H Field
Propagation Path
Propagation Path
Propagation Path
Propagation Path
16
POLARIZAÇÃO HORIZONTAL
Dipole Antenna E Field
H Field
Propagation Path
Propagation Path
Propagation Path
Propagation Path
17
POLARIZAÇÃO CIRCULAR
Quando não for possível controlar a orientação
da antena Tx e/ou da antena Rx, poderá ser
aconselhável usar polarização circular.
Na polarização circular os vectores de E e de H
rodam em torno do eixo de propagação à
frequência de transmissão
Exemplo: GPS usa polarização circular direita
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POLARIZAÇÃO CIRCULAR
Dipole Antenna
E Field #2Propagation Path
E Field #1
Rotation
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FONTE ISOTRÓPICA DE RADIAÇÃO
• É uma fonte que irradia igualmente em todas as direcções.
• A potência total irradiada por esta fonte, distribui-se uniformemente sobre a superfície esférica duma frente de onda.
FORMAÇÃO DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
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Fonte isotrópica de radiação
AR
Potência TotalP (Watts)
FORMAÇÃO DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
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A radiação propaga-se em todas as direcções, criando-se
uma esfera (frente de onda) a qual vai ter uma área =
4..R²
A potência transmitida vai-se dispersar por essa esfera
pelo que vamos ter, em qualquer ponto da superfície
equifásica, uma densidade de potência (potência por
unidade de superfície): Dp
= P / (4..R²)
DISPERSÃO ESFÉRICA
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Numa determinada área A (ex: antena receptora), a potência
recebida é igual à densidade de potência multiplicada por A:
A.P / (4..R²)
Como P é constante, se R2=2R
1, então
P = Dp1
.4..R1² = D
p2.4..R
2² ,
substituindo, Dp1
.R1² = D
p2. (2.R
1) ² DD
p1= 4.D= 4.D
p2
DISPERSÃO ESFÉRICA
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GANHO DE UMA ANTENA
Como as antenas não são fontes isotrópicas, elas vão concentrar a
potência em determinadas direcções.
A relação entre a energia enviada pela antena e a energia enviada por
uma fonte isotrópica designa-se por GANHO.GANHO.
Assim:
GG = = DDp p
/ D/ Dp isotrópicap isotrópica
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ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
O espectro electromagnético inclui as ondas rádio, IV,
luz visível, UV, raios gama e raios cósmicos
O limite inferior do espectro rádio (3 KHz <> 100 Km) é
determinado pelo tamanho e eficiência das antenas
requeridas
O limite superior do espectro rádio (300 GHz <> 1 mm) é
determinado pela atenuação e absorção sofridas na
atmosfera
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GPS(L1=1575,42 MHz)(L2=1227,60 MHz)
Radiogoniómetro e DGPS~300 KHz
RadarBanda F (10 cm)Banda I (3cm)
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PROPAGAÇÃO DA ENERGIA EM
No espaço livre, as ondas rádio deslocam-se
rectilineamente com velocidade constante.
A atmosfera não se pode considerar um espaço
livre.
A presença da Terra e os efeitos secundários devido
aos fenómenos de reflexão, refracção, difracção e
atenuação, tornam a propagação bastante
complexa.
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As ondas electromagnéticas estão sujeitas a vários fenómenos fisicos:
- reflexão
- refração
- atenuação
- difração
Além disso, o sinal pode ser contaminado por ruído e interferências.
PROPAGAÇÃO DA ENERGIA EM
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REFLEXÃO e REFRACÇÃOAo incidir numa superfície de separação de dois meios de índice de refracção diferentes, uma parcela da energia será reflectida enquanto outra parcela se propagará através do novo meio de transmissão (refracção).
Este dois fenómenos ocorrem sobretudo acima dos 30 MHz (VHF, UHF, SHF, EHF)
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EFEITO DA REFLEXÃO A reflexão no solo (obstáculos) provoca diferenças de fase
na onda reflectida em relação à onda directa, originando: Interferência construtiva (sinal reforçado) Interferência destrutiva (sinal enfraquecido ou mesmo anulado)
Directa
Ref
lect
ida
Directa
Reflectida
Interferência
Fase Op. fase
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DIAGRAMA DE COBERTURA VERTICAL DAS ANTENAS
Na prática, face às interferências provocadas pela diferença de fase entre as ondas directa e reflectida, origina zonas em que o sinal é reforçado e outras em que é enfraquecido ou mesmo suprimido.
Altura
f()
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DIAGRAMA DE COBERTURA VERTICAL TÍPICO DE RADARES
Radares de Aviso Aéreo
BANDA A
> 1m
40
Altura
(mil. pés)
0
25
50
75
100
80 120 160 200 240
RHR
Alcance (NM)
3250
Altura
(mil. pés)
0
25
50
75
100
100 150 200 250 300
RHR
Alcance (NM)
DIAGRAMA DE COBERTURA VERTICAL TÍPICO DE RADARES
Radares de Aviso Aéreo
BANDAS B, C e D
15cm < < 1m
33
Altura
(mil. pés)
0
25
50
75
100
RHR
10 20 30 40 50 60 Alcance (NM)70 80
Radares de Aviso Aéreo
BANDAS E, F e G
5cm < < 15cm
DIAGRAMA DE COBERTURA VERTICAL TÍPICO DE RADARES
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REFRACÇÃO
Consiste na variação da direcção de propagação, em virtude das diferentes velocidades de propagação das ondas EM.
V1 > V2V1 < V2
As ondas encurvam-se no sentido da região de menor velocidade de propagação.
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REFRACÇÃO ATMOSFÉRICAA refracção atmosférica faz com que as ondas rádio sigam
percursos encurvados em vez de percursos rectilíneosDepende do índice de refracção atmosférico, que varia
com a altitude, em função das variações de pressão, temperatura e humidade.
Em condições padrão, a temperatura decresce uniformemente com a altitude e a humidade mantém-se constante, provocando um decréscimo do índice de refracção, que encurva as ondas no sentido da superfície da Terra, de tal forma que o raio da onda é aproximadamente 4 vezes superior ao da Terra.
Afecta a propagação em frequências de VHF ou acima.
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DIFRACÇÃO
Consiste em:A onda EM contornar um objecto (obstáculo), quando este é menor que o seu comprimento de onda.A difracção aumenta com o aumento do comprimento de onda, o que significa que é mais acentuada nas ondas rádio do que na luz visível, sendo particularmente relevante em VLF e LF.
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DIFRACÇÃO(cont.)
A difracção induz tensão no solo sobre o qual se desloca, o que retira energia à onda, atenuando-a. Acima de 2 Mhz existe uma forte atenuação, tornando ineficaz a difracção.As ondas polarizadas verticalmente são menos atenuadas que as polarizadas horizontalmente.A atenuação depende ainda da condutividade da superfície sobre a qual se dá a propagação.
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ATENUAÇÃO
• A atenuação da energia rádio/radar deve-se à presença de oxigénio e vapor de água, originando que parte da energia se transforme em calor
• As perdas de energia aumentam com a frequência.
• A chuva e outros hidrometeoros podem originar uma atenuação e dispersão das ondas EM
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DifracçãoF < 2 MHz
Refracção atmosféricaF > 30 MHz
AtenuaçãoAumenta com aumento de F
RefracçãoIonosféricaMF e HF
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MODOS DE PROPAGAÇÃO
A propagação das ondas EM pode adoptar três tipos de trajectos diferentes, consoante a parte do espectro em causa.É possível identificar qual o tipo de propagação predominante: ONDA TERRESTRE - Parte mais baixa do espectro ONDA IONOSFÉRICA - Parte intermédia do espectro ONDA ESPACIAL - Parte superior do espectro
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Onda terrestreF < 3 MHz
Onda espacialF > 30 MHz
OndaIonosféricaMF e HF
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MODOS DE PROPAGAÇÃO
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PROPAGAÇÃO BANDAS DE VLF, LF e MF
Propagação realiza-se através de onda terrestre ou de superfície
Devido à difracção a onda terrestre ou de superfície segue a curvatura da Terra
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Grande estabilidade
Antenas de grandes dimensões, potências elevadas (fraco rendimento), sistemas dispendiosos
VLF: Grande poder de penetração na água
Onda de superfície
PROPAGAÇÃO BANDAS DE VLF, LF e MF
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Alcance depende de: Potência do transmissor Frequência irradiada Natureza do solo Polarização
Aplicações em navegação: VLF: Omega (desactivado em 1997) LF: Decca (desactivado em 1999) e Loran-C LF/MF: Radiofaróis (desactivados em 2000)
e DGPS
PROPAGAÇÃO BANDAS DE VLF, LF e MF
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Propagação realiza-se através de onda ionosférica, que permite grandes alcances.
A energia que é irradiada para a ionosfera, é refractada e devolvida à superfície terrestre.
PROPAGAÇÃO BANDA DE HF (e em parte MF)
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CONSTITUIÇÃO DA IONOSFERA
A Ionosfera é composta por quatro camadasCamada DeltaCamada EchoCamada Foxtrot ( esta divide-se em F1 e F2)
A altura e densidade das camadas da ionosfera variam em função da hora do dia, da estação do ano e com o ciclo solarEm regra, a ionosfera situa-se entre os 50 e os 400 km de altitude.
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CONSTITUIÇÃO DA IONOSFERA
A camada Delta - é a mais próxima da superfície terrestre e é fracamente ionizada.Funciona como atenuadora para frequências de
HF (sobretudo para as mais baixas).À noite desaparece.
A camada Echo – mais ionizada que a camada D, permanece (embora pouco ionizada) à noite, com pouca variação de altura
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A camada Foxtrot – é a camada mais ionizada, onde se dá a quase totalidade da refracção das ondas EM em HF; durante o dia subdivide-se em duas camadas designadas F1 e F2; possui grandes variações de altitude.
CONSTITUIÇÃO DA IONOSFERA
50
CAMADAS DA IONOSFERA
H (Kms)
500
400
300
200
100
F2
F1
E
D
F2
F1
E
D
F
E
Terra TerraTerra
DIA NOITE
Verão Inverno Verão/Inverno
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REFRACÇÃO DAS ONDAS EM
As camadas E e F refractam as ondas EM em HF. O valor em intensidade da refracção depende:Da densidade de electrões das camadas.Do ângulo de incidência das ondas EMDa frequência.
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DENSIDADE DE ELECTRÕES
Para um dado ângulo de incidência e para uma dada frequência, quanto maior for a ionização da camada mais intensa será a refracção das ondas EM
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ÂNGULO DE INCIDÊNCIA Para uma dada camada e uma dada frequência se: O ângulo de incidência for demasiado pequeno, as ondas
atravessam a camada sem que sejam refractadas (A) O ângulo de incidência for demasiado grande, as ondas são
atenuadas na camada e não são refractadas (B) Para ângulos intermédios, as ondas são encurvadas e
regressam à Terra (C)
AB C
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FREQUÊNCIA DAS ONDAS EM
Para uma dada densidade de electrões e um determinado ângulo de incidência se:A frequência for demasiado baixa, a onda é
atenuada (A)A frequência for demasiado elevada, a onda
atravessa a camada (B)Para frequências intermédias, a onda é refractada e
regressa à Terra (C)
B CA
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COBERTURA DAS ONDAS IONOSFÉRICAS
Através de reflexões sucessivas na Terra, são conseguidos grandes alcances.O aumento da frequência aumenta a distância de salto.
TX
Onda de sup. Zona de
Silêncio
Cobertura da onda ionosfèrica
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TX RX
Camada F
Camada E
PROPAGAÇÃO BANDA DE HF (e em parte MF)
A onda ionosférica é pouco estável devido a fading causado por trajectos múltiplos (multipath) e a variações aleatórias na polarização da onda
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Onda terrestreF < 3 MHz
Onda espacialF > 30 MHz
OndaIonosféricaHF e MF
Banda do DGPS: 283,5-325 KHz
COBERTURA DGPS (~300 KHz)
58
COBERTURA DGPS (~300 KHz)
DIA NOITE
59
COBERTURA DGPS (~300 KHz)
Propagação efectua-se por onda de superfície.Cobertura depende da condutividade do meio,
sendo superior sobre o mar do que sobre terra
A onda ionosférica condiciona a cobertura:De dia, a camada D atenua o sinal que se propaga
até à ionosfera, pelo que a onda ionosférica afecta pouco a cobertura do sistema DGPS.
De noite, a onda ionosférica pode começar a chegar a poucas centenas de Km da estação DGPS, interferindo com o sinal de superfície.
60
As ondas EM acima dos 30 Mhz não se conseguem propagar por onda de superfície nem por onda ionosférica.
Em VHF e acima, a propagação ocorre em trajecto em linha recta (com alguma refracção), a que acresce um trajecto reflectido na Terra – onda espacial.
PROPAGAÇÃO BANDA DE VHF, UHF, SHF e EHF
61
As ondas EM acima dos 30 Mhz não se conseguem propagar por onda de superfície nem por onda ionosférica.
Em VHF e acima, a propagação ocorre em trajecto em linha recta (com alguma refracção), a que acresce um trajecto reflectido na Terra.
As características principais são: O sinal EM está confinado à região acima do horizonte
rádio Nessa região existem variações significativas do nível
de sinal, devido à interferência entre os trajectos directo e reflectido
Existe uma grande atenuação pelos gases atmosféricos e hidrometeoros.
PROPAGAÇÃO BANDA DE VHF, UHF, SHF e EHF
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Na atmosfera terrestre, as ondas EM são encurvadas devido à Refracção, originando diferentes horizontes:
• Dist. ao horizonte geométrico (a) [mi] = 1,93 H [m]
• Dist. ao horizonte visual (b) [mi] = 2,08 H [m] [Tab. 4 das Tábuas Náuticas]
• Dist. ao horizonte radar (c) [mi] = 2,23 H [m] [Tab. 5 das Tábuas Náuticas]
HORIZONTE RÁDIO/RADAR
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HORIZONTE RÁDIO/RADAR
Em condições de refracção normais e para as frequências radar o alcance das ondas EM vai além do alcance visual em cerca de 6% e vai além do alcance geométrico em cerca de 15%.
Horizonte geométrico
Horizonte rádioHorizonte visual
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EFEITOS DA REFRACÇÃO
A refracção é devida à variação da velocidade de propagação das ondas EM com a altitude.
O índice de refracção (n) é a relação entre a velocidade de propagação no espaço livre e a velocidade de propagação num ponto da atmosfera.
C
n = ---
V
n = Índice de refracçãoC = Velocidade de propagação no vácuoV = Velocidade das ondas EM no meio considerado
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Introdução de erros nos radares, designadamente no ângulo de elevação
Alvo (posição aparente)
Alvo (posição real)
Raio refractado
Erro angular
EFEITOS DA REFRACÇÃO
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À superfície terrestre e em condições normais n 1,000350 (entre 1,000250 e 1,000400)Por conveniência definiu-se refractividade (N) como sendo N = (n-1) X 106 , o que corresponde a 350 para condições normais
77.6P 3.73 x 105 x eN = ------ + ----------------- T T2
T = Temperatura (oK)P = Pressão atmosférica (mb)e = Tensão de vapor de água (mb)
EFEITOS DA REFRACÇÃO
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Temperatura + Pressão decrescem rapidamente com a altitude
Vapor de água decresce lentamente com a altitude
Decréscimo normal da
refractividade com a
altitude
0 a 79 un/KM
“GRADIENTE NORMAL”
A direcção de propagação inclina-se
na direcção da superfície terrestre a
uma taxa menor que a curvatura da Terra
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Aumento da refractividade com
a altitude
SUBREFRACÇÃO
A trajectória de propagação encurva
no sentido oposto à da superfície
terrestre.
REFRACÇÃO (Cont.)
69
Decréscimo da
refractividade entre
70 e 157 un/Km
SUPER-REFRACÇÃO”
A direcção de propagação encurva-se
na direcção da superfície terrestre mais
que o normal, mas ainda a uma taxa,
menor que a curvatura da Terra.
REFRACÇÃO (Cont.)
70
Decréscimo da refractividade
superior a
157 un/Km
GRADIENTE de “TRAPPING”
A trajectória da propagação encurva
mais rapidamente que a superfície
terrestre.
É responsável pela formação de “DUCTOS”
REFRACÇÃO (Cont.)
71
REFRACÇÃO (Cont.)
Subrefracção
(sentido oposto
à cur. Terra)Standard (< curv. Terra)
Superrefracção
> normal mas inferior
que curv. TerraTrapping
> curv. Terra
formação Ductos
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EFEITOS DA REFLEXÃO
A propagação em frequências superiores a 30 Mhz, efectua-se através da onda espacial, a qual é composta por duas componentes: Onda Directa Onda Reflectida
Directa
Reflectid
a
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EFEITOS DA REFLEXÃOA reflexão no solo (obstáculos) provoca diferenças de fase
na onda reflectida em relação à onda directa, originando: Interferência construtiva (sinal reforçado) Interferência destrutiva (sinal enfraquecido ou mesmo anulado)
Directa
Ref
lect
ida
Directa
Reflectida
Interferência
Fase Op. fase
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ATENUAÇÃO ATMOSFÉRICA
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PROPAGAÇÃO ANORMAL DA ONDA ESPACIAL
O alcance para além do horizonte rádio/radar deve-se a dois fenómenos conhecidos por: DUCTING SCATTERING (dispersão)
Os ductos formam-se quando existem gradientes de trappingDuctos são camadas onde o encurvamento da radiação EM é bastante acentuado, havendo reflexões/refracções sucessivas entre os limites da camada.
Existem dois tipos principais de ductos:
SUPERFÍCIE ELEVADOS / EVAPORAÇÃO
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FORMAÇÃO DOS DUCTOS
Em condições normais, atmosfera Standard, a refractividade decresce uniformemente com a altitude.No entanto, existem condições atmosféricas em que o índice de refractividade varia de forma diferente originando o encurvamento da direcção de propagação de forma acentuada e consequentemente, refracções/reflexões sucessivas entre duas camadas da atmosfera.
RHR
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FORMAÇÃO DOS DUCTOS
DUCTO DE SUPERFÍCIE (RADAR)
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DISPERSÃO TROPOSFÉRICA
A Troposfera estende-se até aos 10Km altitude.
É nesta zona que ocorrem as turbulências atmosféricas,
as quais são devidas às variações de humidade e
temperatura das massas de ar.
A propagação troposférica baseia-se na utilização destas
turbulências (variações bruscas do índice de refracção),
para provocar a dispersão da energia em direcção à
superfície terrestre
Utilizada para frequências 100Mhz-10Ghz com alcances de
50-500nm.
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DISPERSÃO TROPOSFÉRICA
O alcance além horizonte depende da altitude a que ocorre a dispersão.
TX
ESTRATOSFERA
TROPOSFERA
“METEOR BURST”
Dispersão
troposférica
RXRX
10- 15 Kms
80 - 120 Kms
50 a 500 NMAté 1000 NM
80
DISPERSÃO TROPOSFÉRICA
Vantagens Grandes alcances
Elevada confiança (maior disponibilidade que HF)
Dificuldade de interceptar/empastelar
Desvantagens Necessidade de potência de transmissão muito elevada
Necessidade de antenas de grande ganho (Tx e Rx) e
receptores de grande sensibilidade
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Onda terrestreF < 3 MHz
Onda espacialF > 30 MHz
OndaIonosféricaHF e MF
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Alcance
Frequência
Rigor
Existe uma regra empírica que diz que a exactidão conseguida na medição de um sinal rádio é da ordem
de 1% do seu comprimento
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Alcance
Frequência
Rigor
Omega~10 KHzλ=30 Km2 a 4 NM
Loran-C90-110 KHzλ=3 Km0,25 NM
GPS~1,5 GHzComprim. cód. C/A: 300m13-36 m
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UTILIZAÇÃO POR SUBMARINOS
A atenuação das ondas rádio pela água do mar é
proporcional à raiz quadrada da frequência
Nível de sinal aceitável
Omega (10,2 KHz) 10m
Loran-C (100 KHz) 3,1m
Transit (400 MHz) 5 cm
GPS* (1,5 GHz) 2,5 cm
* Antenas têm que estar bem acima da superfície para evitar perdas de sinal devido a
salpicos de água e para poder receber satélites a baixa altitude
85
DÚVIDAS?
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