CARACTERIZAÇÃO DE ANTENAS PARA O SISTEMAS TTE

Universidade de Brasília - UnBFaculdade UnB Gama - FGA

Engenharia Eletrônica

CARACTERIZAÇÃO DE ANTENAS PARA OSISTEMAS TTE

Autor: Henrique Berilli Silva MendesOrientador: Prof. Dr. Leonardo Aguayo

Brasília, DF2015

Henrique Berilli Silva Mendes


Monografia submetida ao curso de graduaçãoem Engenharia Eletrônica da Universidadede Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em EngenhariaEletrônica.

Universidade de Brasília - UnB

Faculdade UnB Gama - FGA

Orientador: Prof. Dr. Leonardo AguayoCoorientador: Prof. Dr. Adoniran Judson

Brasília, DF2015

Henrique Berilli Silva MendesCARACTERIZAÇÃO DE ANTENAS PARA O SISTEMAS TTE/ Henrique

Berilli Silva Mendes. – Brasília, DF, 2015-64 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: Prof. Dr. Leonardo Aguayo

Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade de Brasília - UnBFaculdade UnB Gama - FGA , 2015.1. TTE, Comunicação em minas, Antena loop, caracterização de antena loop.

2. . I. Prof. Dr. Leonardo Aguayo . II. Universidade de Brasília. III. FaculdadeUnB Gama. IV. CARACTERIZAÇÃO DE ANTENAS PARA O SISTEMAS TTE

CDU 00:000:000.0

Henrique Berilli Silva Mendes


Monografia submetida ao curso de graduaçãoem Engenharia Eletrônica da Universidadede Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em EngenhariaEletrônica.

Trabalho aprovado. Brasília, DF, em estado de avaliação:

Prof. Dr. Leonardo AguayoOrientador

Prof. Dr. Adoniran JudsonConvidado 1

Prof. Dr. SebastianConvidado 2

Brasília, DF2015

ResumoAs minas subterrâneas são ambientes dinâmicos e imprevisíveis, estão sujeitas a diversosefeitos climáticos, como tremores de terra, inundações dentre outros efeitos que acabamtornando-se ambientes propícios para desmoronamentos. Esses acidentes, em sua maioria,deixam vítimas presas no interior delas. Em casos onde há pessoas presas no interiordas minas é necessário que se mantenha a comunicação entre as vítimas e a superfície,para que o resgate possa ser eficiente e o mais seguro possível. Porém, nem sempre ossistemas de comunicação são robustos o suficiente para suportar esses tipos de casos.Desenvolveu-se um estudo de uma tecnologia que possibilitasse a comunicação entre ointerior da mina e a superfície, utilizando o solo como meio de propagação. Esse sistema éconhecido como TTE (through-the-earth), e é baseado no uso de ondas de ULF(Ultra LowFrequency) e VLF (Very Low Frequency). Essas frequências conseguem superar obstáculosencontrados no solo, porém possuem diversas restrições, já que as minas são ambientesdinâmicos e à medida que aumenta-se a profundidade a constituição do solo pode seralterada, tornando o canal de propagação diferente. Por usarem frequências muito baixas,as estruturas das antenas são grandes, tornando sua execução ainda mais complexa. Apresença muito grande de minerais e muitos deles possuem propriedades condutoras, tornao meio propenso a perdas em sua transmissão. Esses são os três principais problemas dacomunicação TTE. Este trabalho tem como proposta a caracterização de uma antena looppara a utilização em comunicações do tipo TTE. Para essa caracterização será necessárioo desenvolvimento do sistema completo de comunicação, porém de forma simplificada.

Palavras-chaves:Comunicação TTE; Caracterização Antena Loop; Comunicação em mi-nas subterrâneas; Acidente em Minas Subterrâneas; Comunicação de emergência.

AbstractUnderground mines are dynamic and unpredictable environments, are subject to variousclimatic effects, such as earthquakes, floods among other effects that end up becomingenvironments conducive to landslides. These accidents, mostly leaving victims trappedinside them. In cases where there are people trapped inside the mines is necessary tomaintain communication between the victims and the surface so that the rescue can beefficient and as safe as possible. But not always the communication systems are robustenough to withstand these types of cases. We developed a study of a technology that wouldallow communication between the interior and the surface of the mine, using the groundas a propagation medium. This system is known as TTE (through-the-earth), and is basedon the use of wave ULF (Ultra Low Frequency) and VLF (Very Low Frequency). Thesefrequencies can overcome obstacles encountered in the soil, but have various restrictions,since the mine environments are dynamic and as the depth increases the constitutionof the soil can be changed by making the different propagation channel. By using verylow frequencies, the antennas of the structures are large, making her even more complexexecution. A very large presence of minerals and many of them have conductive properties,makes the middle prone to losses in its transmission. These are the three main problemsof communication TTE. This paper aims the characterization of a loop antenna for usein the type TTE communications. For that characterize the development of the completesystem of communication will be necessary, but in simplified form.

Key-words: Communication TTE, Characterization Loop Antenna, Communication inunderground mines,Accident in underground Mine, Emergency communication.

Lista de ilustrações

Figura 1 – Lavra subterrânea (??) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Figura 2 – Cabo Coaxial Irradiado (Cabo fendido), (TELECO. . . , 2015) . . . . . . 22Figura 3 – Modelo de comunicação TTA (WTI. . . , 2015) . . . . . . . . . . . . . . 24Figura 4 – Representação esquemática de sistema de comunicação TTE, operando

em downlink. As dimensões típicas da antenas são da ordem de dezenasde metros. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Figura 5 – Processo de comunicação pelo modelo TTE . . . . . . . . . . . . . . . 26Figura 6 – Oito alinhamentos básicos de transmissão e recepção de laços de in-

dução. As características de campo ao longo de um terra horizontaldepender do fato do transmissor ser vertical ou horizontal. Para cadaum destes dois tipos de alinhamentos do transmissor existem quatroalinhamentos básicos que o receptor pode tomar.(GIBSON, 2003) . . . 30

Figura 7 – Abertura específicas de diferentes loops de antena em forma (GIBSON,2003) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Figura 8 – Tabela do tamanho da bitola do fio (MECATRONICAFACIL, 2011) . . 34Figura 9 – Tabela de conversão dos fios esmaltados (MECATRONICAFACIL, 2011) 34Figura 10 – Indutância do enrolamento de fio (MECATRONICAFACIL, 2011) . . . 35Figura 11 – Antena no modo de transmissão (BALANIS, 2005) . . . . . . . . . . . 38Figura 12 – Circuito equivalente da antena (BALANIS, 2005) . . . . . . . . . . . . 39Figura 13 – Circuito da antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 14 – Geometria para cálculo de campo magnético no ponto (h,𝜌) para antena

loop circular a uma altura ℎ0 do solo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Figura 15 – Intensidade de campo magnético de uma antena loop nas configurações

coaxial e coplanar segundo os modelos MIC e SEH (uplink) . . . . . . . 44Figura 16 – Geometria para cálculo de campo entre duas antenas loop circulares.

O ângulo 𝛼 formado pelos vetores ortogonais aos planos determinadospelas duas antenas é resultante da composição de rotações nos eixos 𝑥′

e 𝑦′. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Figura 17 – Módulo da função de transferência do canal entre duas antenas loop nas

configurações coaxial e coplanar segundo os modelos mic e seh(uplink). 47Figura 18 – Modelo de amplificador ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 19 – Esquemático de representação do ganho de um amplificador . . . . . . 50Figura 20 – Protótipo inicial da antena loop com 1 metro de raio. . . . . . . . . . . 57Figura 21 – Esquemático do amplificador no Proteus . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Figura 22 – Teste na saída do amplificador de corrente com o osciloscópio do simu-

ladorProteus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Figura 23 – Cronograma do projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Lista de abreviaturas e siglas

𝑇𝐶𝐶 Trabalho de Conclusão de Curso

𝑇𝑇𝑊 Through the Wire

𝑇𝑇𝐴 Through the Air

𝑇𝑇𝐸 Through the Earth

𝑃𝐸𝐷 Personal-Emergency-Device

𝑉 𝐿𝐹 Very Low Frequency

𝑈𝐿𝐹 Ultra Low Frequency

𝑉 𝐻𝐹 Very High Frequency

𝑈𝐻𝐹 Ultra High Frequency

𝑅𝐹𝐼𝐷 Radio Frequency Identification

𝑈𝑊𝐵 Ultra-wideband

𝑅𝐹 Radio Frequency

𝑆𝑆𝐵 Single Side Band

𝑃𝑆𝐾 Phase Shift Keying

𝐹𝑆𝐾 Frequency shift keying

𝑅𝑆𝑅 Razão Sinal Ruído

𝑀𝑆𝐾 minimum Shift Keying

𝐴𝑊𝐺 American Wire Gauge

𝑆𝑊𝐺 Standard Wire Gauge

𝐴 ampère

𝑉 volts

𝑄 Fator de Qualidade

𝑅𝑀𝑆 Valor eficaz

𝑆𝐸𝐻 Semi-Espaço Homogêneo

𝑀𝐼𝐶 Meio infinito Condutivo

𝑀𝐷𝐹 Medium Density Fiberboard

𝑚𝑚 milimetros

𝑐𝑚 centimetros

𝑚 metros

𝐻𝑧 Hertz

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.1 Contextualização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.1.1.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.1.1.2 Objetivo específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.1.2 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.1.2.1 Ferramentas utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.1.2.2 Computacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.1.2.3 Laboratoriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.1 Comunicação em Minas Subterrâneas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.1.1 TTW: Através do Cabo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.1.2 TTA: Através do Ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1.3 TTE: Através da Terra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2 Projetos de equipamentos TTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2.1 O ambiente de propagação TTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2.1.1 Zonas de Campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2.2 Antenas Loop para comunicação TTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2.2.1 Classificação dos alinhamentos da antena Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.2.2 Formato da antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.3 Material da antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.3.1 Escolha do material da antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2.4 Parâmetros do condutor do suporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.2.4.1 Diâmetro da secção transversal do fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2.4.2 Secção em milímetros quadrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2.4.3 Conversão de peso em kg para quilômetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2.4.4 Cálculo da indutância gerada pelo enrolamento de fios . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2.4.5 Parâmetros da Antena Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2.4.6 Eficiência da antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.3 Impedância de Entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.4 Modelos de Campo Magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.5 Modelagem do Canal e Frequência Ótima de Operação . . . . . . . 442.6 Modelagem de Antenas para comunicação TTE . . . . . . . . . . . . 472.7 Amplificador para o circuito TTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.7.1 Amplificador: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.7.2 Ganho do amplificador: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.7.3 Ganho do amplificador do sinal de entrada: . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.7.3.1 Amplificador de ganho de tensão: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.7.3.2 Amplificador de ganho de corrente: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.7.3.3 Amplificador de ganho de potência: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.7.4 Amplificador de ganho de potência: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.7.5 Amplificador ideal: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.7.6 Classes de Amplificador: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.7.7 Especificação do projeto: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3 MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.1 Transmissor TTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.1.1 Estudo do condutor do suporte da antena: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.1.1.1 Diâmetro da Secção Transversal do Fio: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.1.1.2 Capacidade de corrente do fio: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.1.1.3 Comprimento do fio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.1.1.4 Resistência em ohms por quilômetro: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.1.1.5 Calculo da indutância gerada pelo enrolamento de fio: . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.1.2 Suporte da antena: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.1.3 Amplificador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.1 Discussões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.2 Próximos Passos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

15

1 Introdução

1.1 Contextualização

É possível definir comunicação como uma transmissão de informações. Ela é umenvio e/ou recepção de uma mensagem, sendo que esta mensagem não precisa ser neces-sariamente um código alfanumérico e sim visual ou sensorial (COUTINHO, 2011).

A comunicação humana constitui objeto de reflexão e pesquisa há muitos séculos,envolvendo desde filósofos gregos como Platão até engenheiros do século XX como ClaudeShannon (POSTMAN, 1993) (N EPLEY; J, 2005). Em paralelo a estes estudos ao longodos tempos, a comunicação foi progressivamente modificada de acordo com os avançostecnológicos.

Com a popularização e melhoria dos meios de comunicação, surgiu a internet,a comunicação via radiofrequência, entre muitas outras. Estas melhorias possibilitam asuperação das grandes distâncias globais, e vem se tornando mais robusta e universal,criando de fato um sistema que possibilite ser utilizado em qualquer situação, ambiente,mesmo em condições adversas.

A comunicação Through the Earth (TTE) é um exemplo disso, ela é um tipo desinal de rádio utilizado em minas e cavernas subterrâneas, que utiliza ondas de baixasfrequências, para penetrar no solo e nas rochas encontradas no caminho até a superfí-cie, uma vez que esses obstáculos são opacos aos sinais de rádio de altas frequências,inviabilizando utilizar sinais de altas frequências para esse tipo de comunicação.

Juntamente com a agricultura, a mineração é vista como um dos mais antigostrabalhos da humanidade (MUTMANSKY, 2002). Até nos dias atuais ela é consideradaextremamente importante, com ela é possível obter minérios para suprir necessidadesenergéticas e até mesmo recursos valiosos para as industrias de bens materiais.

A técnica de mineração subterrânea é vastamente utilizada para acessar minériose minerais mais valiosos que existam em um terreno. Eles comumente estão localizados avários metros de profundidade abaixo da superfície da terra. Também existe a técnica demineração a céu aberto, na qual as camadas superficiais do solo são retiradas, facilitandoo acesso aos minérios. Neste trabalho daremos ênfase a extração subterrânea, devido suamaior complexidade de acesso físico e dificuldade de comunicação entre os trabalhadoresda mina e profissionais de monitoramento da superfície. Essas técnicas de mineração levamo nome técnico de lavra, podendo ser lavra subterrânea e lavra a céu aberto[5], a lavrasubterrânea, como mostrado na Figura 1 é para a mineração subterrânea e a lavra a céuaberto para a mineração a céu aberto.

16 Capítulo 1. Introdução

Figura 1: Lavra subterrânea (SILVA, 2015)

Lavra é o conjunto de trabalhos que se tem como resultado a retirada mais eficiente,segura, economicamente viável e rápida do minério de um determinado local. Ela é umconjunto de operações unitárias que tem por objetivo o aproveitamento industrial deuma jazida, ou seja, fazer a perfuração, o desmonte de rocha, carregamento e transportede minério e o estéril, sustentação e controle das escavações, ventilação, climatização econtrole das condições ambientais, drenagem e esgotamento das águas, iluminação dentreoutras operações (SILVA, 2015).

Uma das profissões com o maior grau de periculosidade é a mineração subterrânea.As operações de mineração são realizadas em ambientes muito perigosos que possui agra-vantes, por exemplo, gases explosivos, tóxicos, baixa circulação de ar atmosférico, elevadaumidade e elevadas temperaturas. Alguns dos principais tipos de riscos nas minas sãoos acidentes onde há desmoronamento do teto, enchentes, fogo, gases tóxicos e explosões(MURPHY, 2009).

Por ano, milhares de mineiros morrem em acidentes em minas subterrâneas, espe-cialmente quando se trata do processo de exploração de carvão mineral e na mineração derocha dura. A concentração da maioria das mortes em minas estão em países em desen-

1.1. Contextualização 17

volvimento, especialmente a China. As minas de carvão da China são as mais perigosasdo mundo, matando uma média de 13 mineiros por dia (SAAD, 2012).

Os fatores mais importantes de acidentes na indústria de mineração subterrâneasão: Gases tóxicos ou explosivos presentes no solo e o uso de explosivos (operações deexplosão) para fins de quebrar a rochas. Mas acidentes também podem acontecer pormovimentos sísmicos e pode causar obstrução das vias de locomoção.

Em muitos casos a presença de metano juntamente com os explosivos utilizadospara quebrar as rochas, ou até mesmo máquinas e equipamentos em péssimo estado deconservação ou o mau uso dos mesmos, causam um efeito em cadeia de detonação nasminas. Esses acidentes muitas vezes matam ou prendem mineiros nas minas, esses foram osfatores responsáveis pelo maior acidente já acontecido na história da mineração europeia,que foi o acidente em Courrières que matou 1099 mineiros em 10 de março de 1906 (SAAD,2012).

Quando um acidente grave acontece nas operações de mineração, a resposta aemergência nas minas subterrâneas é mais delicada do que em outros tipos de ambientesde trabalho (MURPHY, 2009). Isso é causado pelo fato de que a estrutura física das minassubterrâneas não permitir respostas imediatas a acidentes. Seus acessos são limitados equando acontece uma explosão, que é o tipo mais comum de acidente, os trabalhadorespodem ficar presos no subsolo e para realizar o resgaste é importante ter as informaçõesexatas sobre a localização, as condições de saúde e as condições físicas do local do acidente.Caso não se tenha essas informações o resgate torna-se mais complicado e difícil de serefetuado.

A comunicação nas minas é de essencial importância. Ela deve estar presente emtodas as fases da mineração e é através dela que consegue-se melhorar o processo, aumentara produtividade e reduzir os riscos. As operações autônomas dentro de uma mina e as demonitoramento dependem diretamente dos links de comunicações (STAFF, 1984). A vitalimportância da comunicação na mineração subterrânea é quando há um acidente. Comela é possível facilitar o resgate. O link de comunicação de emergência será o caminho queajudará a localizar as vítimas e transmitirá informações vitais.

Os 3 sistemas mais utilizados para a transmissão e recepção de informações são:

∙ TTW - São os que irão utilizar o cabo como meio de propagação para levar ainformação pela mina;

∙ TTA - São os que utilizam o ar para propagar-se, eles não possuem fios e suacomunicação é toda por ondas eletromagnéticas;

∙ TTE - São os que utilizam o solo como meio de propagação, assim como a TTA, nãoutiliza fios e ela é uma propagação de ondas eletromagnéticas, mas com frequências


baixas, normalmente menores que 30 KHz;

Observação: Existem outros tipos de comunicação como os sistemas híbridos e osavisos olfativos, que podem ser utilizados em processos de comunicação em minas. Noentanto esses não serão objetos deste trabalho.

Em casos de acidentes existem possíveis agravantes no socorro das vítimas, e po-derá haver a necessidade de um resgate eficiente. Os agravantes podem ser a presença degases tóxicos, fogo e até risco de desmoronamentos. Tendo esses problemas em vista, énecessário que a comunicação seja realizada de forma emergencial e o mais rápido e seguropossível. Muitas vezes o sistema de comunicação da mina subterrânea é afetado com o aci-dente e pode perder a sua funcionalidade, desta forma é necessário criar uma comunicaçãoentre a superfície e o interior da mina, que mesmo em casos de acidentes ainda continuefuncionando, enviando e captando um sinal enviado através do solo (MCLENDON, 1985).

A motivação para uma pesquisa desse tipo, neste trabalho de conclusão de curso- (TCC), se baseia na grande dificuldade de solucionar problemas que são conhecidosnas minas subterrâneas, como garantir a comunicação em caso de acidentes e tornar osocorro mais eficiente. Será desenvolvida a caracterização de uma antena do tipo loop, aser utilizada na comunicação do tipo TTE. Para o desenvolvimento será necessário tervárias etapas para a construção das antenas e para posteriormente serem utilizadas nacaracterização. As etapas são:

∙ Estágio de pré-amplificação do sinal a ser enviado: Que é o estágio que terá afinalidade de aumentar a potência do sinal que se deseja enviar e torná-lo sinal útilpara o enviado através da antena;

∙ Projeto e desenvolvimento de uma antena do tipo loop. Essa antena é para baixasfrequências e é constituída de enrolamento de material condutor ao redor de umaestrutura e o seu campo magnético é muito importante para sua funcionalidade;

∙ Implementação do receptor da antena. O receptor é o equipamento que recebe o sinaleletromagnético e o transforma em sinal elétrico para ser utilizado e interpretado.

Desta forma o protótipo poderá abranger toda a comunicação subterrânea TTE epossibilitará a caracterização da antena para essa comunicação.

Pretende-se realizar neste primeiro Trabalho de Conclusão de Curso o estudo datecnologia TTE, as possíveis antenas, as características da antena que são importantespara essa comunicação TTE, realizar toda a pesquisa bibliográfica com relação a pro-blemática das comunicações em minas, desenvolver e montar o suporte da antena loop,desenvolver o esquemático do circuito amplificador, o estudo do material que será feito aantena e os testes do condutor que serão utilizados na antena a ser caracterizada.

1.1. Contextualização 19

1.1.1 Objetivos

1.1.1.1 Objetivo Geral

Desenvolver um protótipo para a comunicação em minas subterrâneas utilizandoa comunicação TTE, realizando testes que servirão para caracterizar a antena do mo-delo, garantindo-se que no caso de acidentes, a comunicação não seja perdida, por meiodo rompimento do link. Para isso será realizado o levantamento do embasamento teóricodo projeto, elaboração do projeto inicial do pré-amplificador de sinal do sistema, desen-volvimento da antena Loop e estudo dos condutores da antena, bem como a validação,coberta com a montagem e testes do circuito amplificador, construção da antena e testesde recepção do sinal enviado e montagem do receptor de sinal.

1.1.1.2 Objetivo específicos

∙ Realizar o levantamento de dados sobre o ambiente das minas subterrâneas e com-preender as necessidades que serão necessárias para o desenvolvimento do projeto;

∙ Realizar estudo para compreensão do funcionamento das comunicações já utiliza-das em minas subterrâneas, identificando necessidades e lacunas que precisam serpreenchidas;

∙ Analisar e identificar os melhores condutores para a confecção da antena para serutilizada em um ambiente de mina;

∙ Realizar testes laboratoriais com o condutor que atenderá as especificações da antenapara sua confecção;

∙ Desenvolver e confeccionar suporte que dará apoio para a idealização da antena dotipo Loop;

∙ Elaborar projeto do amplificador que será o alimentador da antena e validação domesmo utilizando uma plataforma de simulação.

∙ Realizar a caracterização da antena para o sistema TTE.

∙ Montagem da Antena.

∙ Confecção Dos Sistemas constituintes da comunicação TTE;

∙ Montagem do sistema TTE completo.

∙ Teste do sistema de comunicação TTE (Transmissor-Receptor).

∙ Caracterização da antena de sinal TTE;


1.1.2 Metodologia

Para o desenvolvimento do projeto será realizado o estudo bibliográfico do pro-blema abordado, com isso serão encontradas as possíveis soluções para o protótipo e seránecessário a utilização de algumas ferramentas, computacionais e laboratoriais, para asvalidações e averiguação da funcionalidade da proposta do projeto e dos estudos que foramdesenvolvidos.

1.1.2.1 Ferramentas utilizadas

1.1.2.2 Computacionais

∙ Matlab - Será o software utilizado para modelar os parâmetros do projeto, nele serádesenvolvido as contas teóricas e a fundamentação para o funcionamento do projeto;

∙ Proteus - Será um dos softwares de simulação de circuitos utilizado, nele será de-senvolvido o projeto do amplificador que será utilizado na comunicação;

∙ LTspice - Será outro software de simulação de circuitaria que será utilizado paravalidar os parâmetros encontrados pelo primeiro Proteus. Com ele pode-se agregarnovas variáveis ao circuito e modificar os parâmetros de determinados componentes;

∙ Pspice - Será desenvolvido o modelamento do circuito da antena levando em consi-deração o canal e será feita a validação dos outros softwares de simulação que foramutilizados para o projeto;

∙ CST - Será utilizado para fazer as simulações eletromagnéticas da antena para avalidação dos resultados teóricos encontrados;

1.1.2.3 Laboratoriais

∙ Osciloscópio - Será utilizado para visualizar e analisar os sinais enviados e recebidospela antena loop;

∙ Multímetro de bancada – Será utilizado para fazer medidas de indutância, resistênciae o teste da continuidade, tudo isto com uma maior precisão. Esses valores serãoúteis para parametrizar a antena e encontrar as suas características;

∙ Gerador de função – Gerará o sinal que será enviado pela antena;

21

2 Fundamentação Teórica

2.1 Comunicação em Minas Subterrâneas

A mina subterrânea é um ambiente desafiador para as comunicações com e semfio, principalmente a sem fio. Geralmente a umidade relativa dentro de uma mina sub-terrânea é muito elevada, podendo chegar a mais de 90%. Há uma grande presença degases explosivos, tóxicos e partículas de poeira. Essa atmosfera carregada juntamente coma grande presença de água, faz com que seja gerada uma água corrosiva (DONOGHUE,2004).

Esses fatores adversos fazem da mina um ambiente muito complexo para se garantira comunicação, além de todos os agravantes presentes em uma lavra é necessário garantirque os equipamentos ou sistemas de comunicação possam operar em níveis “admissíveis”por razões de segurança (YARKAN S. GUZELGOZ, 2009).

As minas são ambientes dinâmicos à medida que aumenta-se a profundidade aconstituição do solo se altera, tornando o ambiente diferente em sua constituição [13]. Astécnicas utilizadas em comunicação sem fio, usando ondas eletromagnéticas não funcionambem neste ambiente, devido a três problemas: há uma alta perda no caminho em funçãodos minérios e minerais do solo; o grande tamanho da antena e a condição do canaldinâmico, ou seja, difícil modelamento do canal, uma vez que as minas serem ambientesdinâmicos.

Além disso, sabe-se que os dispositivos que são projetados para operar em ambi-entes regulares podem quebrar mais rápido em minas subterrâneas devido a condiçõesextremamente duras. Com isso há a necessidade de instrumentos mais robustos. Dispo-sitivos que operam em ambientes de mina subterrânea deve ser imune a alta umidade,amplas faixas de temperatura e partículas em suspensão no ar(MURPHY, 2009).

As minas subterrâneas exigem uma cobertura completa no interior de suas galerias.Nessa atividade é extremamente importante que a informação seja transmitida e recebida apartir de todos os pontos, por razões de segurança e de produtividade. No entanto, sabe-seque, por vezes, a comunicação TTA pode não ser possível ou é de péssima qualidade devidoas características de propagação de sinais de rádio em galerias de minas subterrâneas. Istoobriga o uso de sistemas com fio para comunicações em minas. No entanto, a comunicaçãocom fio é muito suscetível a danos aos fios. Portanto, a instalação de infraestrutura decomunicação com fio deve ser tratada de tal forma que seja possível minimizar os danosaos fios.

As possíveis tecnologias de comunicação em uma mina são: TTW, TTA e TTE.

22 Capítulo 2. Fundamentação Teórica

A TTA e a TTE são ambas tecnologias sem fio, porém possuem meios de propagaçãodiferentes.

2.1.1 TTW: Através do Cabo

Os sistemas de comunicação TTW, são os sistemas que baseiam-se em meios gui-ados (YARKAN S. GUZELGOZ, 2009), ou seja, cabos. Muito utilizado nas minas paracomunicação entre o interior e a superfície da mina e para monitoramentos. Uma dasprimeiras formas de utilizar a comunicação TTW em minas foi através do telefone demagneto(MURPHY, 2009). Ele é baseado na comunicação de voz, que contém um ge-rador de magneto composto por ímãs. Quando acionada sua manivela, era gerado umacorrente alternada que fazia que sinos tocassem do outro lado da linha, depois disso abateria alimentava o equipamento de comunicação de voz e estabelecia-se a comunicaçãopor voz.

O leaky feeders é um sistema hibrido pois é uma transmissão por cabos, porémtambém irradia sinal, utiliza cabos coaxiais fendido, ou seja, é um cabo que possui umacamada de cobre com pequenas fendas que atuam como um arranjo de antenas em suasestruturas, como pode ser visto na Figura 2, para transmitir e receber a informaçãodentro do túnel. Devido à atenuação ao longo do cabo, é necessário ter amplificadoresregularmente espaçados, tipicamente entre 350 e 500 m de distância. Os cabos fendidosfuncionam em ambas as direções de comunicação, usualmente nas bandas VHF e UHF(SAFETY; HEALTH, 2009).

Figura 2: Cabo Coaxial Irradiado (Cabo fendido), (TELECO. . . , 2015)

Atualmente utiliza-se fibras ópticas, elas permitem altas taxas de transmissão dedados a grandes distâncias dentro da mina. Com o seu uso é possível atingir até 70km de abrangência sem a necessidade de regeneração do sinal. Ela está presente nosmonitoramentos em tempo real da mina como nos sistemas contra incêndio, sistemasautomáticos entre outros (BANDYOPADHYAY; MISHRA, 2010).

2.1. Comunicação em Minas Subterrâneas 23

Os sistemas TTW são muito utilizados nas minas, mas eles necessitam de umainfraestrutura muito grande, mas é uma solução limitada, pois é pontual, comunica-sede ponto a ponto. Em caso de acidentes é uma comunicação facilmente destruída. Dessaforma sendo muito importante para o funcionamento da mina, porém muito frágil emcaso de acidentes.

2.1.2 TTA: Através do Ar

Diferentemente da comunicação TTW a comunicação Through-the-Air (TTA) érealizada de maneira sem fio, utilizando-se de antenas que irradiam o sinal e a propagaçãoé realizada pelo ar, como na Figura 3. Esse sistema possibilita o envio de pacotes de dados,podendo ser de qualquer tipo, vídeo, áudio e puramente dados.

A tecnologia TTA torna-se mais vantajosa do que os sistemas com fio devido àfacilidade de instalação e adaptação à expansão da mina. Uma característica particular deminas subterrâneas é que de acordo com sua profundidade e suas atividades de extraçãode minério o ambiente vai mudando e comportando-se de maneira diferente. A expansãodo espaço de cobertura leva à necessidade de ampliação da infraestrutura de comunicação,porém é muito mais simples sua instalação quando comparada com os sistemas com fios.Outros aspectos da mina que também influenciam as comunicações TTA são a sua formae tipo de acesso. Como a mina foi escavada e sua sustentação interfere nas condições depropagação da onda, por exemplo, minas que foram escavadas como túnel tendem a criarum efeito de guia de onda, com baixo índice de perda de propagação (MURPHY, 2009).

Com o desenvolvimento da tecnologia de comunicação digital de baixo alcanceampliou-se a comunicação TTA nas minas subterrâneas. O investimento foi direcionado atecnologias como ZigBee, WiFi e o RFID com baixa taxa de dados e UWB para altas taxas,considerando que essas tecnologias oferecem curto alcance, baixa potência e capacidadede posicionamento. Os equipamentos de rádio utilizados não trazem novidades em relaçãoaos dispositivos RF usados em outras aplicações (JAYANTHU, 2013).

2.1.3 TTE: Através da Terra

Os sistemas TTE têm o potencial de proporcionar a comunicação sem fio entre aspessoas que estão no subterrâneo e as que estão na superfície. É um tipo de sinal de rádiousado em minas e cavernas subterrâneas que usa ondas de baixa frequência para penetrara terra e a rocha, que normalmente são opacos para os sinais de rádio convencionais dealta frequência (YENCHEK, ).

A transmissão TTE supera os obstáculos encontrados no solo com o uso de frequên-cias ultra baixas (ULF), que tem como sua faixa de frequência de 300 Hz a 3 KHz, e emalguns casos utilizam algumas frequências muito baixar (VLF), que tem como faixa de


Figura 3: Modelo de comunicação TTA (WTI. . . , 2015)

frequência de 3 KHz a 30KHz, normalmente utiliza-se na faixa das ULF. Neste trabalhoiremos trabalhar nessa faixa (FOROOSHANI, 2013).

A estrutura dos sistemas TTE necessita de menos infraestrutura em sua implemen-tação, são sistemas mais robustos, com isso são mais propensos a continuarem funcionandoem uma explosão subterrânea e é capaz de fornecer um link de comunicação para a super-fície caso haja trabalhadores presos. Mas esse sistema enfrenta grandes problemas, como:Grande dimensão da antena para enviar o sinal e Alimentação da antena subterrânea(YENCHEK, ).

A tecnologia TTE baseia-se nas ondas eletromagnéticas para estabelecer um enlaceentre a superfície e a mina subterrânea, e isso é realizado através de um acoplamentomagnético que acontece entre as antenas loop, como ilustrado na Figura 4. A transmissãoé normalmente feita por indução magnética em frequências abaixo de 30 kHz, e elas estãosujeitas a ruídos atmosféricos e a harmônicos produzidos por equipamentos, limitando odesempenho de comunicação, especialmente no enlace de subida (JOUGHIN, 1995).

A tecnologia TTE é muito importante para a mineração, ela vem trazendo soluçõesa problemas típicos na comunicação em mineração, mas ela oferece inúmeros desafiosfísicos e técnicos, como, por exemplo, o tamanho físico das antenas, os níveis de potênciaassociados e a banda disponível para a transmissão de informação. Mais recentemente,avanços tecnológicos e uma maior preocupação com a eficiência e a segurança em minas

2.2. Projetos de equipamentos TTE 25

Figura 4: Representação esquemática de sistema de comunicação TTE, operando emdownlink. As dimensões típicas da antenas são da ordem de dezenas de me-tros.

tornaram a tecnologia TTE uma realidade.

O Sinal que deseja-se enviar para o mineiro é gerado em uma fonte, que pode ser,por exemplo, um microfone, um computador entre outros, depois de captado a informaçãoé passado por um modulador digital, como PSK (phase shift keying) e/ou FSK(frequencyshift keying). Após ser modulado o sinal ele passa por um amplificador que irá dar ganhono sinal para ele poder ser irradiado pela antena do tipo Loop e percorrer o solo atéchegar na vítima que está a centenas de metros de profundidade. O Sinal chegará naoutra antena do tipo loop, porém menor, devido a indisponibilidade de espaço físico nosubsolo das minas. O sinal recebido será desmodularizado e enviado para o receptor, ondeacontecerá a interface e entre a vítima e o canal de comunicação.

2.2 Projetos de equipamentos TTE

Foram desenvolvidos cinco protótipos por cinco empresas utilizando a comunica-ção TTE: Alertek, E-Spectrum Technologies, Lockheed Martin, Stolar e Ultra Electro-nics. Desses projetos quatro protótipos baseiam-se na detecção de campos magnéticosutilizando antenas loop e uma na detecção de campos elétricos.

Os sistemas TTE desenvolvidos se mostraram capazes de desenvolver comunicaçãounidirecional e bidirecional, de voz e texto em até 300 m (voz) e 600 m (texto) de profun-didade, aproximadamente. Para transmitir voz, os protótipos utilizaram frequências de3150 Hz a 4820 Hz. Alguns protótipos possuíam também um modo de localização baseado


Figura 5: Processo de comunicação pelo modelo TTE

em triangulação, em que apenas um tom é transmitido no enlace de subida. Utilizandoreceptores dispostos na superfície é possível localizar a posição do transmissor por meiodo tratamento do sinal recebido.

As modulações que comumente são utilizadas na comunicação TTE são:

∙ Modulação analógica SSB (single side band);

∙ Modulação digital PSK (phase shift keying);

∙ Modulação digital FSK(frequency shift keying);

Algumas empresas conseguiram transformar seus projetos em produtos comerciais(AL., 2010).

O Flex Alert, fabricado pela canadense Mini-Radio Systems, é um sistema decomunicação unidirecional entre galerias subterrâneas e a superfície, utilizado para darsuporte na evacuação de operários em caso de emergência. Utiliza um campo magnéticoa baixa frequência que transporta informação a um receptor posicionado no capacete dosmineiros. É composto por uma antena tipo loop de 10 a 120 m de comprimento posicionada


estrategicamente sobre a mina. Quando há alguma emergência, um sinal é emitido dasuperfície para todos os mineiros fazendo a lâmpada do capacete piscar sinalizando aevacuação (BANDYOPADHYAY; MISHRA, 2010).

O Dispositivo Pessoal de Emergência (PED) da australiana MineSite Technologyé um sistema de comunicação unidirecional que permite a transmissão de mensagens detexto específicas às pessoas que se encontram no interior da mina sem uso de cabos. Mesmofornecendo comunicação só superfície-mina, pode ser utilizado um cabo irradiante (leakyfeeder) para completar a comunicação no link de subida (BANDYOPADHYAY; MISHRA,2010). O sistema também é usado para detonação remota de explosivos e controle remotode equipamentos.

Após seus testes em conjunto com a NIOSH, a Lockheed Martin comercializa aMagneLink MCS, que é um sistema TTE autossuficiente e bidirecional que oferece suportea voz, texto e localização baseado em ondas magnéticas de baixa frequência. Testes a 500metros de profundidade validaram as aplicações de voz e texto, em que uma antena de130 metros de comprimento e outra com múltiplas voltas foram usadas na superfície e namina, respectivamente.

A canadense Vital Alert (NEWS, 2014) desenvolveu recentemente o sistema digitalCanary de rádio TTE bidirecional para comunicação de dados e voz. O receptor da Canaryé implementado em rádio definido por software, sendo facilmente reconfigurável paraoperar entre frequências de 300 Hz a 9 kHz. O dispositivo permite modulação adaptativacom taxas que variam de 9 bps a 1 kbps.

Em se tratando de processamento de sinais, (JOUGHIN, 1995) sugere o uso demodulação MSK (minimum shift keying). O autor também sugere técnicas de combate aoruído atmosférico e de códigos corretores de erros, para conferir maior robustez ao sistema.O autor afirma melhorar a razão sinal-ruído (RSR) de 10 a 30 dB após a caracterização doruído utilizando múltiplas antenas ortogonais e a aplicação de técnicas como cancelamentoadaptativo de ruído, detecção por máxima verossimilhança e realimentação de decisão. Afalta de estudos mais recentes em processamento de sinais para comunicação TTE podeindicar que ainda exista um ganho de desempenho a ser alcançado via tratamento desinais em investigações futuras.

2.2.1 O ambiente de propagação TTE

Devido às propriedades intrínsecas do solo, a penetração do campo magnético H emmeio condutor de condutividade 𝜎, permissividade 𝜀 e permeabilidade 𝜇 obedece à equaçãode difusão ∇2𝐻 = 𝜇𝜎𝜕𝐻/𝜕𝑡 ao em vez da equação de onda ∇2𝐻 = 𝜇𝜀(𝜕2𝐻)/(𝜕𝑡2), como campo decaindo exponencialmente em função da distância, frequência de operação 𝜔

e condutividade elétrica do meio. O grau de decaimento no meio de um bom condutor,


onde 𝜎/(𝜀𝜔) >> 1, é dado pela profundidade pelicular𝛿 =√

2/(𝜔𝜇𝜎) a qual, por serinversamente proporcional à raiz quadrada da frequência, e essa é a justificativa para ouso de frequências ULF e VLF para comunicação TTE.

A propagação em meio condutor ou dielétrico também altera algumas propriedadesbásicas da onda, como a velocidade de propagação 𝑣𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎 e o comprimento de onda 𝜆𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎.Em um bom condutor, a contribuição da permissividade real pode ser desprezada e ocomprimento de onda que atravessa as rochas da mina pode ser escrito como 𝜆𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎 = 2𝜋𝛿,o que em comunicação TTE operando a 10 kHz com solo de 𝜎 = 10−3 pode reduzirem 30 vezes o comprimento de onda em relação ao ar. Entra em questão, portanto, aaplicabilidade das aproximações comumente utilizadas na literatura para as zonas decampo eletromagnético.

2.2.1.1 Zonas de Campo

As zonas de campo para transmissão no vácuo ou no ar podem ser classificadascomo: campo próximo reativo, campo próximo radiante, zona de transição e campo dis-tante. No campo próximo reativo e no campo próximo radiante, o campo é o resultadodas interferências das ondas de diversos pontos da antena. Em campo distante, onde oscampos elétrico e magnético estão em fase e possuem uma relação fixa entre si, a antena detransmissão é vista como um ponto radiante e seu campo pode ser visto como uma frentede onda plana. Na zona de transição, ambos os comportamentos podem ser observados.Em um meio condutor, Gibson (GIBSON, 2003) propôs uma subdivisão diferente para aszonas de campo.

A Tabela 1 elenca as zonas de campo e suas condições para os dois tipos de meio.Para a nossa problemática nos tempo o sistema operando no espaço livre em 10 kHz(𝜆0=30 km) com separação entre as antenas de 300 m e se encontra em campo próximoreativo (𝜆0/2𝜋 ≈ 4775 m), enquanto que em meio condutor com 𝜎 = 10−3 e 𝜇 = 𝜇0,𝜆𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎/2𝜋 = 𝛿 ≈ 160 m < 300 m. Ou seja, trata-se de zona de transição e está maispróximo do campo distante do que do campo próximo.

Modelo Tipo de aproximação Condições

Vácuo

Campo próximo reativo 𝑟 < 𝜆0/2𝜋Campo próximo radiante 𝜆0/2𝜋 < 𝑟 < 𝜆0Zona de transição 𝜆0 < 𝑟 < 2𝜆0Campo distante 𝑟 > 2𝜆0 ou 2𝐷2/𝜆0

Meio condutivo

Quase estático 𝑟 << 𝜆𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎/2𝜋Campo próximo 𝑟2 << (𝜆𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎/2𝜋)2

Zona de transição 𝑟 ≈ 𝜆𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎/2𝜋Campo distante 𝑟 >> 𝜆𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎/2𝜋

Tabela 1: Zonas de campo no vácuo e em meio condutor


2.2.2 Antenas Loop para comunicação TTE

A antena Loop é uma antena de rádio que consiste em um enrolamento de fio,ou outro material condutor eléctrico, ao redor da estrutura. No âmbito desta descriçãofísica existem dois modelos de antena muito distintas: Pequena antena loop (ou Loopmagnético) com um tamanho muito menor do que um comprimento de onda, e a antenaloop ressonante com uma circunferência aproximadamente igual ao comprimento de onda.

A antena loop magnético, em geral, tem uma circunferência de menos de um dé-cimo de um comprimento de onda, caso em que haverá uma distribuição de correnterelativamente constante ao longo do condutor. Comumente utilizada em baixas frequên-cias. Com o aumento da frequência, o tamanho físico da antena é aumentado, uma ondaestacionária começa a desenvolver-se, a corrente e a antena começa a adquirir algumas dascaracterísticas de um circuito ressonante. Tem-se que levar em consideração que quandocompara-se as resistência de perda do circuito com a resistência de radiação, observa-seque a resistência de radiação é muito pequena. A sua resistência à radiação pode ser subs-tancialmente melhorada pela adição de mais voltas. Loops de multi-voltas têm melhorresistência à radiação, embora a sua eficácia ainda é pequena; Antenas loop ressonantessão relativamente grandes, seu comprimento de onda será o mesmo tamanho de sua antenapretendida. As antenas loop são muito utilizados em frequências mais altas, especialmenteVHF e UHF, onde seu tamanho é administrável, quando a frequência é baixa como ULFe VLF, as dimensões passam a ser inviáveis por ser muito grande. Eles podem ser vistoscomo um dipolo dobrado deformada numa forma diferente, e tem características bastantesemelhantes tais como uma elevada eficiência de radiação.

Para o desenvolvimento do estudo utilizaremos o loop magnético, pois deseja-seutilizar das propriedades das frequências baixas para a comunicação entre a superfície equem está no subterrâneo.

Antenas de loop possuem simplicidade, baixo custo e versatilidade. Eles podem tervárias formas: circulares, triangulares, quadrados, elíptico, etc. Os loops são amplamenteutilizados em ligações de comunicação de ULF até bandas de micro-ondas (aproximada-mente ≈ 3 GHz). Eles também são utilizados como sondas de campo eletromagnéticos(EM) nas faixas de micro-ondas.

2.2.2.1 Classificação dos alinhamentos da antena Loop

As formas de alinhar os transmissores são na vertical e na horizontal, e dentrodesses dois alinhamentos há outros quatro alinhamentos básicos que o receptor podeassumir. Com isso há oito orientações possíveis de transmissor e receptor que devemosconsiderar, conforme ilustrado na na Figura 6. É evidente que o co-planares e alinhamentoscoaxiais são simplesmente casos especiais do alinhamento geral transmissor-receptor que


normalmente é adotado; mas há também dois arranjos ortogonais.

Figura 6: Oito alinhamentos básicos de transmissão e recepção de laços de indução. Ascaracterísticas de campo ao longo de um terra horizontal depender do fato dotransmissor ser vertical ou horizontal. Para cada um destes dois tipos de ali-nhamentos do transmissor existem quatro alinhamentos básicos que o receptorpode tomar.(GIBSON, 2003)

Em um meio infinito (condutor ou não) é tido que a simetria do campo magnéticotem que ser perpendicular ao receptor loop que é coplanar ao transmissor. Isto é, umreceptor com o seu eixo no plano da espira transmissor e direcionado para ele, assim comona Figura 6 item e. irá detectar um nulo. Segundo Gibson, em trabalhos experimentais


o r mostrou-se que isso não é necessariamente verdade para a antena loop quando elasestão próximas do solo. Nesta situação, o transmissor horizontal (VMD) vai induzir umsinal em um loop receptor ortogonais, devido ao campo secundário e este tampão ser omais significativo dos componentes do campo.

O segundo caso é ortogonal em que os eixos do transmissor e receptor são orto-gonais e não coplanar (Figura 6 item G e H). Simetria indica que essa configuração devesempre detectar um nulo, mas isso pressupõe que o solo é isotrópico.

2.2.2.2 Formato da antena

As antenas loop são antenas muito práticas e por muitas vezes podem ser desmon-tadas e remontadas. Normalmente os seus projetos são simples, justamente para torna-lasportáteis já que muitas vezes suas dimensões são elevadas. Por este motivo é necessá-rio entender quais são as influencias do formato. A abertura específica é proporcionalà área do loop dividido pelo perímetro, assim com uma dada quantidade de cabo paraformar o enrolamento (ou seja dada massa e comprimento), descobrimos que quando éestendido o cabo durante a moldura da antena, a abertura específica será proporcional àárea(GIBSON, 2003).

Se o perímetro é 𝑝, a área do loop circular é 𝑝2

4𝜋. Caso seja quadrado a área será

𝑝2

16 . A abertura específica de um polígono de 𝑛 lados, relativamente a um circuito circularcom a mesma massa e de perímetro, pode ser demonstrado que:

𝜋

𝑁𝑡𝑎𝑛( 𝜋𝑁

) (2.1)

Ao comparar as antenas de massa igual, a forma tem um efeito sobre o desempenho.

Na Figura 7 é possível ver o efeito que a alteração das características faz. Nalinha superior: Antenas de mesma massa e perímetro - um loop circular é o preferido, porter maior área. Na linha do meio: Antenas de mesma massa e "maior diâmetro- circuitocircular é o preferido. Na linha inferior: Antenas de mesma massa e ’menor diâmetro’ -performances são iguais.

2.2.3 Material da antena

Na bibliografia é muito comum essas antenas serem fabricadas de alumínio ou decobre, então será feito uma comparação para entender as propriedades que são úteis paraesse tipo de antena.

A presença do termo 𝜎/𝜌 mostra que o alumínio é um material melhor, com suamenor densidade, em comparação com o cobre. Mesmo o fato de sua condutividade nãosendo melhor que a do cobre, só o fato de para a mesma massa e dissipação de energia,


Figura 7: Abertura específicas de diferentes loops de antena em forma (GIBSON, 2003)

Tabela 2: Os méritos de diferentes materiais de antena.Material Densidade Condutividade Meritos Meritos Relativo [dB]Sodio 0,97 21,3 148 5,3Aluminio 2,7 37,0 117 3,2Magnésio 1,74 21,7 112 2,8Cobre 8,93 58,1 81 0Prata 10,5 62,5 77 -0,4Ouro 19,3 43,5 47 -4,6Bronze 8,5 16,7 44 -5,2Aço 7,86 9,5 35 -7,3

uma antena de alumínio produz um aumento de 3dB em intensidade de campo. Na 2 épossível ver uma comparação dos materiais.

Alumínio e cobre são os dois únicos materiais viáveis para a maioria das aplicações,as outras possibilidades todo ser caro ou reativo, ou seja, os mais viáveis são os dois.

O Mérito Relativo é quem dita a qualidade do material para fazer a antena, ele éo fator que determina o desempenho do material da antena. Um resultado semelhante jáencontrou aplicação em que é necessária para minimizar a dissipação de potência em umfio de uma dada massa e comprimento. Este é o caso em que tem um poste para suportaruma linha de energia (CHOWN, 1998).


2.2.3.1 Escolha do material da antena

Deu-se preferência a utilizar-se o cobre no lugar do alumínio na aplicação da an-tena. O alumínio mostrou-se ser um material difícil de trabalhar, moldar e com um customuito elevado. O Cobre por sua vez é mais simples de se encontrar, possui diversas aplica-ções comuns no cotidiano, é um material mais simples de utilizar e com um preço melhorquando comparado ao alumínio.

2.2.4 Parâmetros do condutor do suporte

Das possibilidade encontradas com cobre, decidiu-se utilizar o fio de cobre esmal-tado para fazer o enrolamento ao redor da antena. Isto porque eles são mais compactofrente as outra soluções e para essa aplicação o acoplamento magnético é muito impor-tante, visto que quanto maior o número de voltas maior o campo magnético. Outro motivopara a escolha desse enrolamento foi o custo do fio esmaltado quando comparado as outrasopções.

Com isso utilizou-se das características do fio para poder começar o estudo domaterial da antena: Na Figura 8 é possível ver na tabela de conversão a conversão deAWG para milímetros e SWG (polegadas).

2.2.4.1 Diâmetro da secção transversal do fio

A bitola do fio é muito importante para os cálculos dos parâmetros da antena.Através dessa medida é possível encontrar outros parâmetros que serão importantes paraa caracterização da antena. Os fios esmaltados são padronizados em número AWG, paraa conversão utiliza-se uma tabela como da Figura 8.

2.2.4.2 Secção em milímetros quadrados

A Secção em milímetros quadrados é um dado importante, com ele é possívelencontrar a corrente máxima que o fio esmaltado suporta, outro parâmetro que pode serobtido é a resistência do fio. Por exemplo: Para os fios esmaltados comuns, a capacidadede corrente é da ordem de 3,2 ampères por milímetro quadrado e para cada milímetroquadrado e a resistência da ordem de 16,3 ohms por quilômetro. Utilizando tabelas, comoa da Figura 9, é possível obter outras características importantes do fio.

2.2.4.3 Conversão de peso em kg para quilômetro

A conversão de peso em quilômetros é dado utilizando o auxílio da Figura 9, émuito utilizada essa conversão pois comercialmente o fio esmaltado é vendido no peso enão em seu comprimento.


Figura 8: Tabela do tamanho da bitola do fio (MECATRONICAFACIL, 2011)

Figura 9: Tabela de conversão dos fios esmaltados (MECATRONICAFACIL, 2011)


Para fazer o calculo da resistividade por unidade de comprimento é necessárioapenas saber o comprimento que os outros valores necessários são encontrados em tabelasdo material, com isso tem-se que ela pode ser calculada como:

𝑅 = 𝑅𝑥 * 𝑋

1000 (2.2)

Onde 𝑅 é a resistência do enrolamento em ohms; 𝑅𝑥: é o valor em ohms porquilômetro do fio usado obtido na tabela; 𝑋 é comprimento do fio usado no enrolamento;

Nos circuitos de sintonia, esta resistência é importante na determinação do fatorde qualidade (fator Q), o qual está relacionado com a “seletividade” do circuito.

O cálculo da resistividade é dado por:

𝑅 = 𝜌𝐿

𝐴(2.3)

2.2.4.4 Cálculo da indutância gerada pelo enrolamento de fios

Para o calculo da indutância no fio é necessário conhecer a largura que o enrola-mento (l), a área do enrolamento e o diâmetro do enrolamento como mostrado na Figura10;

Nos circuitos de sintonia, esta resistência é importante na determinação do fatorde qualidade (fator Q), o qual está relacionado com a “seletividade” do circuito, conformejá salientamos. O calculo da resistividade é dado por:

Figura 10: Indutância do enrolamento de fio (MECATRONICAFACIL, 2011)

𝐿 = 𝜇𝑁2𝐴

𝑙(𝐻) (2.4)


2.2.4.5 Parâmetros da Antena Loop

O estudo dos parâmetros da antena é muito importante, pois é através dele queserá possível avaliar a qualidade da antena, sua funcionalidade, sua aplicabilidade. Nor-malmente os parâmetros de uma antena são:

∙ Diagrama de radiação;

∙ Densidade de potencia de irradiação;

∙ Intensidade de radiação;

∙ Diretividade;

∙ Ganho;

∙ Eficiência da antena;

∙ Largura de Banda;

∙ Polarização;

∙ Impedância de entrada;

Para caracterizar nossa antena iremos utilizar apenas Eficiência da antena e Im-pedância de entrada, pois tem-se uma antena que trabalhará em campo transitório, queestá similar ao campo próximo quando estudado seu caso.

2.2.4.6 Eficiência da antena

A eficiência total de 𝜖0 antena é utilizada para ter em conta as perdas nos terminaisde entrada e no interior da estrutura da antena. Tais perdas podem ser devido.

1 Reflexões devido à incompatibilidade entre a linha de transmissão e a antena;

2 As perdas de 𝐼2𝑅;

Em geral pode-se escrever a eficiência como:

𝜖0 = 𝜖𝑟𝜖𝑐𝜖𝑑 (2.5)

Onde:

∙ 𝜖0 = Eficiência total;

∙ 𝜖𝑟 = Eficiência da reflexão (incompatibilidade) = (1 − |Γ|2) (Adimensional)

2.3. Impedância de Entrada 37

∙ 𝜖𝑐 = Eficiência de condução;

∙ 𝜖𝑑 = Eficiência do dielétrico (adimensional)

∙ Γ = coeficiente de reflexão da tensão nos terminais de entrada da antena [Γ =𝑍𝑖𝑛−𝑍0𝑍𝑖𝑛+𝑍0

], onde 𝑍𝑖𝑛 é a impedância de entrada da antena, 𝑍0 é a impedância caracte-rística da linha de transmissão (BALANIS, 2005).

Normalmente computar o valor de e0 e ed é muito difícil, mas eles podem sermedidos experimentalmente. Mesmo medições por eles não podem ser separados, e égeralmente mais conveniente para escrever a fórmula 2.1 como:

𝑒0 = 𝑒𝑟𝑒𝑐𝑑 = 𝑒𝑐𝑑(1 − |Γ|2) (2.6)

Onde 𝑒𝑐𝑑 = 𝑒𝑐𝑒𝑑 é a eficiência de radiação da antena. Que é usado para relacionaro ganho com a diretividade.

2.3 Impedância de EntradaA impedância de entrada é definido como "a impedância representada por uma

antena nos seus terminais de entrada ou a relação entre a tensão de corrente a um par determinais ou a razão "A impedância de entrada é definido como a impedância representadapor uma antena nos seus terminais ou a relação entre a tensão de corrente a um parde terminais ou a razão entre os componentes apropriados do campo elétrico ao campomagnético em um ponto."Para o estudo da impedância na entrada de uma antena seráutilizado os terminais a e b, como mostrado nas Figura 11, Figura 12 e Figura 13. Arelação entre a tensão de corrente a esses terminais, sem carga ligados, define o:

𝑍𝐴 = 𝑅𝐴 + 𝑗𝑋𝐴 (2.7)

Onde:

∙ 𝑍𝐴 - É a impedância da antena nos terminais a – b (Ω);

∙ 𝑅𝐴 - É a resistência da antena nos terminais a – b (Ω);

∙ 𝑋𝐴 - É a reatância da antena nos terminais a – b (Ω);

Em geral a parte resistiva da Equação 2.7 consiste em duas partes, que é:

𝑅𝐴 = 𝑅𝑟 + 𝑅𝐿(Ω) (2.8)


Onde:

∙ 𝑅𝐿 - É a resistência de perdas da antena (Ω);

∙ 𝑅𝑟 - É a resistência de radiação da antena (Ω);

Como estamos trabalhando com um campo que está próximo, a resistência deradiação será muito pequena. Se assumirmos que a antena está ligada a um gerador comimpedância interna:

𝑍𝑔 = 𝑅𝑔 + 𝑗𝑋𝑔 (2.9)

Onde:

∙ 𝑍𝑔 - É a impedância do gerador (Ω);

∙ 𝑅𝑔 - É a resistência do gerador (Ω);

∙ 𝑋𝑔 - É a reatância do gerador (Ω);

e a antena é utilizada no modo de transmissão, que pode representar a antena eo gerador por um circuito equivalente mostrado na Figura 12. Para saber a quantidadede energia fornecida para R; por radiação e a quantidade dissipada em forma de calor𝑅𝐿(𝐼2𝑅𝑑2), Nós primeiro encontramos a corrente desenvolvido dentro do circuito fechadoque é dada pela:

𝐼𝑔 = 𝑉𝑔

𝑍𝑡

= 𝑉𝑔

𝑍𝐴 + 𝑍𝑔

= 𝑉𝑔

((𝑅𝑟 + 𝑅𝐿 + 𝑅𝑔) + 𝑗(𝑋𝐴 + 𝑋𝑔))(𝐴) (2.10)

Figura 11: Antena no modo de transmissão (BALANIS, 2005)

A magnitude é dado por:

|𝐼𝑔| = |𝑉𝑔|((𝑅𝑟 + 𝑅𝐿 + 𝑅𝑔)2 + 𝑗(𝑋𝐴 + 𝑋𝑔)0, 5) (2.11)

2.3. Impedância de Entrada 39

Figura 12: Circuito equivalente da antena (BALANIS, 2005)

Figura 13: Circuito da antena

Onde 𝑉𝑔 é a tensão do gerador de pico. A potência fornecida à antena para aradiação é dada por:

𝑃𝑟 = 12 |𝐼𝑔|𝑅𝑟 = |𝑉𝑔|2

2 = 𝑅𝑟

((𝑅𝑟 + 𝑅𝐿 + 𝑅𝑔)2 + 𝑗(𝑋𝐴 + 𝑋𝑔)2)(𝑊 ) (2.12)

e que dissipada na forma de calor por:

𝑃𝑟 = 12 |𝐼𝑔|𝑅𝑟 = |𝑉𝑔|2

2 = 𝑅𝐿

((𝑅𝑟 + 𝑅𝐿 + 𝑅𝑔)2 + 𝑗(𝑋𝐴 + 𝑋𝑔)2)(𝑊 ) (2.13)

A energia restante é dissipada na forma de calor no 𝑅𝑔 resistência interna do


gerador, e é dada por:

𝑃𝑔 = |𝑉𝑔|2

2𝑅𝑔

((𝑅𝑟 + 𝑅𝐿 + 𝑅𝑔)2 + 𝑗(𝑋𝐴 + 𝑋𝑔)2)(𝑊 ) (2.14)

A máxima potência entregue à antena ocorre quando temos o casamento das im-pedâncias ; que é quando:

𝑅𝑔 = 𝑅𝑟 + 𝑅𝐿 (2.15)

𝑋𝐴 = −𝑋𝑔 (2.16)

Neste caso:

𝑃𝑟 = |𝑉𝑔|2

2𝑅𝑟

(4(𝑅𝑟 + 𝑅𝐿)2 = |𝑉𝑔|2

8𝑅𝑟

((𝑅𝑟 + 𝑅𝐿)2 (2.17)

𝑃𝐿 = |𝑉𝑔|2

8𝑅𝐿

((𝑅𝑟 + 𝑅𝐿)2 (2.18)

𝑃𝑔 = |𝑉𝑔|2

8𝑅𝑔

((𝑅𝑟 + 𝑅𝐿)2) = |𝑉𝑔|2

81

(𝑅𝑟 + 𝑅𝐿) = |𝑉𝑔|2

8𝑅𝑔

(2.19)

Subtraindo 2.17 - 2.18 , é possível ver que:

𝑃𝑔 = 𝑃𝑟 + 𝑃𝐿 = |𝑉𝑔|2

8𝑅𝑔

((𝑅𝑟 + 𝑅𝐿)2) = |𝑉𝑔|2

81

(𝑅𝑟 + 𝑅𝐿) = |𝑉𝑔|2

81

𝑅𝑟 + 𝑅𝐿

(𝑊 ) (2.20)

A energia fornecida pelo gerador durante o casamento de impedância é:

𝑃𝑠 = 12𝑉𝑔𝐼𝑔 = 1

2𝑉𝑔[ 𝑉𝑔

(𝑅𝑟 + 𝑅𝐿)2 ] = |𝑉𝑔|2

41

𝑅𝑟 + 𝑅𝐿

(𝑊 ) (2.21)

Da qual a energia que é fornecida pelo gerador, metade é dissipada na forma decalor na resistência interna do gerador (𝑅𝑔) e a outra metade é entregue à antena paraque o sinal possa ser irradiado, essa máxima transferência acontece quando tem-se o ca-samento de impedâncias. Nas Figura 11, Figura 12 e Figura 13 presume-se que o geradorestá diretamente ligado à antena. Se houver uma linha de transmissão entre os dois, que égeralmente o caso, então 𝑍𝑔 representa a impedância equivalente do gerador transferidospara os terminais de entrada da antena utilizando a equação de transferência de impe-dância. Se, além disso, a linha de transmissão apresenta perdas, em seguida, a energiadisponível para ser irradiada pela antena irá ser reduzida pelas perdas de transmissão dalinha.

2.4. Modelos de Campo Magnético 41

2.4 Modelos de Campo MagnéticoA capacidade de transmissão indutiva em função das características de uma antena

loop é dado pelo momento magnético 𝑚𝑑 = 𝑁𝑡𝑥𝐼𝑡𝑥𝑆𝑡𝑥;

Onde:

1. 𝑁𝑡𝑥 - É o número de voltas do loop transmissor;

2. 𝐼𝑡𝑥 - Representa o valor RMS de uma corrente elétrica tonal nos filamentos da antenade transmissão;

3. 𝑆𝑡𝑥 - Representa a área do loop;

Com esta fórmula, é possível perceber que o aumento de momento magnético tempor custo o aumento da potência dissipada em calor (𝑃𝑡𝑥 = 𝑅𝑡𝑥𝐼2

𝑡𝑥), em que a resistência𝑅𝑡𝑥 do loop transmissor aumenta com 𝑁𝑡𝑥 e/ou 𝑆𝑡𝑥. Apesar de esta potência ser dissipadae não irradiada, ela determina o valor de corrente usada na geração do campo magnéticoe, por isso, associa-se, de forma indireta, a uma potência de transmissão.;

O campo magnético gerado por uma antena loop eletricamente pequena se fazconsiderando o vácuo como meio homogêneo infinito ignorando qualquer condição decontorno (STARKEY, 1973), e supondo distribuição uniforme da corrente em todo oloop. A uma distância muito próxima à fonte (𝑟 << 𝜆/2𝜋), a intensidade de um campomagnético variante no tempo se assemelha àquela de um campo estático calculada pela leide Biot-Savart (GRIFFITHS, 1999). Para o caso de uma antena loop, o campo magnéticoquase-estático é aproximado por:

𝐻𝑞𝑒 = 𝑚𝑑

4𝜋𝑟3 {2 cos(𝜃)𝑟 + sin(𝜃)𝜃}, (2.22)

onde 𝑟, 𝜃 representa o alcance normalizado pela profundidade pelicular e contem-pla a contribuição de perdas no solo. O parâmetro T também pode ser interpretado comouma frequência espacial normalizada em dado alcance r. (DURKIN, 1997a):

𝐻 = 𝑚𝑑

4𝜋𝑟3 𝑒−𝑗𝑇 𝑒−𝑇 {2 cos 𝜃(1 + (1 + 𝑗)𝑇 )𝑟 + sin 𝜃(1 + (1 + 𝑗)𝑇 + 2𝑗𝑇 2)𝜃}, (2.23)

onde 𝑇 = 𝑟/𝛿 = 𝑟√

𝜇𝜎𝜔/2 representa o alcance normalizado pela profundidadepelicular e contempla a contribuição de perdas no solo. O parâmetro 𝑇 também pode serinterpretado como uma frequência espacial normalizada em dado alcance 𝑟.


Wait formulou expressões analíticas do campo magnético de antenas circulares comcorrente uniforme distinguindo os meios superfície e subterrâneo, nos chamados modelosde semi-espaço homogêneo (𝑠𝑒ℎ), para os enlaces de subida (WAIT, 1971) e de descida(SPIES, 1972). Os campos para os enlaces de subida 𝐻𝑢𝑝 e descida 𝐻𝑑𝑜𝑤𝑛 em coordenadascilíndricas nas direções radial 𝜌 (campo horizontal) e profundidade 𝑧 (campo vertical) sãodados, respectivamente, por:

𝐻𝑢𝑝 = 𝑚𝑑

2𝜋ℎ3

∫ ∞

0𝛽𝑥{𝐽0(𝐷𝑥)𝑧 − 𝐽1(𝐷𝑥)𝜌}𝑑𝑥, (2.24)

𝐻𝑑𝑜𝑤𝑛 = 𝑚𝑑

2𝜋ℎ3

∫ ∞

0𝛽(𝑥){𝐽0(𝐷𝑥)𝑧 − 𝐽1(𝐷𝑥)(𝑥2 + 𝑗2𝒯 2)1/2

𝑥𝜌}𝑑𝑥, (2.25)

em que:

𝛽(𝑥) = 𝐽1(𝐴𝑥)𝐴𝑥/2

𝑥3

(𝑥2 + 𝑗2𝒯 2)1/2 + 𝑥 + 𝜒𝑒−𝑍𝑥𝑒−(𝑥2+𝑗2𝒯 2)1/2

, (2.26)

e 𝐴 = 𝑎/ℎ, 𝐷 = 𝜌/ℎ, 𝑍 = ℎ0/ℎ, 𝒯 = ℎ/𝛿, 𝑎 é o raio do loop, ℎ0 e ℎ são asdistâncias entre a antena de superfície e o solo e entre o solo e a antena enterrada nosubsolo, respectivamente, 𝐽0 e 𝐽1 são funções de Bessel do primeiro tipo, e 𝜒 é umavariável auxiliar. A Figura 14 ilustra a geometria para campos no cenário 𝑠𝑒ℎ; Para asaproximações de Wait, 𝜒 é nulo. Observa-se que existe reciprocidade entre os dois enlacespara o campo vertical, mas não para o horizontal, e que este último pode ser ignoradonuma configuração em que as antenas se encontrem alinhadas coaxialmente, ou seja,quando 𝜌 = 0 (ou 𝒯 = 𝑇 ) fazendo 𝐽1(𝐷𝑥) = 0. Da mesma forma, no modelo de meioinfinito em (2.23), para 𝜃 = 180∘ em configuração coaxial, desaparece o termo de campona direção elevacional, sobrando apenas o campo vertical na direção 𝑟. Diferentementedo modelo baseado em meio infinito, em que o loop deve ter dimensões suficientementepequenas que garantam a uniformidade espacial da corrente, os modelos de semi-espaçohomogêneo possuem o fator de correção 𝐽1(𝐴𝑥) que compensa a variação do tamanho daantena.

Durkin (DURKIN, 1997a) sugere que exista na interface entre a terra e o ar umabarreira de transposição que possa ser modelada por uma fina camada de condutividadeainda maior que aquela do semi-espaço homogêneo abaixo dela. Seu modelo inclui o termo𝜒 = 𝑗2𝒯 2 ℎ1

ℎ𝜎1 nos denominadores de (2.24) e (2.25), em que ℎ1 e 𝜎1 representam a altura

e a condutividade da fina camada de interface.

Todos os modelos acima estão no domínio da frequência, visto que 𝛿 varia com 𝜔.Vale observar que excluem-se aqui eventuais distorções lineares e não lineares do trans-missor. Aproximações dessas equações para os campos próximo e distante podem seralcançadas utilizando as condições da Tabela 1, lembrando que 𝛿 = 𝑟/𝑇 = 𝜆𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎/2𝜋.

2.4. Modelos de Campo Magnético 43

Figura 14: Geometria para cálculo de campo magnético no ponto (h,𝜌) para antena loopcircular a uma altura ℎ0 do solo

A Figura 15 mostra a intensidade de campo magnético de uma antena loop aolongo de seu eixo (𝜃 = 0) normalizado pela intensidade do campo quase-estático emfunção de 𝑇 (ou de 𝒯 ) para os modelos de 𝑀𝐼𝐶 e 𝑠𝑒ℎ com adequada aproximação entreeles. Apresenta também a intensidade de campo num ponto sobre o mesmo plano do loop(𝜃 = 𝜋/2) apenas para o modelo de 𝑀𝐼𝐶, visto que o cenário 𝑠𝑒ℎ não é adaptado paraa configuração coplanar. Nesta figura observa-se o excesso de perda (ou ganho) devidoao meio e a estrutura da antena loop para além da lei do inverso cúbico da distância.Para uma noção mais precisa da variação da intensidade de campo com a distância, bastaacrescentar uma atenuação de 60 dB/década para uma frequência fixa. Observa-se que atéa distância 𝑇 = 1/4, o que pode equivaler a 40 m num sistema operando em 1 kHz comcondutividade moderada 𝜎 = 10−2, os modelos seguem praticamente o comportamento docampo quase-estático. A partir daí, o campo coplanar apresenta ganho até 𝑇 ≈ 3 quandopassa a apresentar perda, enquanto que o campo coaxial tem sempre sua intensidadereduzida, inicialmente de 1.5 dB após o primeiro 𝛿 (𝑇 = 1), 4.5 dB entre o segundo e oprimeiro 𝛿, convergindo à 8.7 dB/𝛿 em 𝑇 → ∞, assim como no campo coaxial. Este valorde convergência da taxa de atenuação/𝛿 é típica para ondas planas em campo distante eusada para definir o próprio 𝛿 (20 log10(𝑒− 𝑟

𝛿=−1) = −8.7 dB).

Fixando uma distância, o espectro em função da frequência normalizada 𝑇 (ou 𝒯 )mostra um comportamento de filtro passa-baixas, com largura de banda de 1.4 para ocampo coaxial, e de 2.8 para o campo coplanar. No entanto, veremos na seção seguinteque essas não são as formas do espectro do canal entre as duas pontas de comunicação.


2.5 Modelagem do Canal e Frequência Ótima de OperaçãoEm sistemas que operam em frequências moderadamente baixas, é mais comum

se usar tensão e corrente para parametrizar quadripolos e, consequentemente parâme-tros baseados em impedâncias. Para análises de modelagem do canal de propagação emfrequências abaixo de 100 kHz, adota-se o conceito de impedância de transferência entreos loops, considerando as versões fasorais da corrente total no loop de transmissão 𝐼𝑡𝑥(𝜔)e da tensão induzida nos terminais da antena de recepção 𝑉𝑟𝑥(𝜔),

𝑍(𝜔) = 𝑉𝑟𝑥(𝜔)/𝐼𝑡𝑥(𝜔). (2.27)

Figura 15: Intensidade de campo magnético de uma antena loop nas configurações coaxiale coplanar segundo os modelos MIC e SEH (uplink)

Segundo a lei de Faraday, a tensão induzida por um campo magnético nos terminaisde um condutor de malha fechada depende da variação temporal do fluxo magnéticoque adentra esta malha em sentido ortogonal a seu plano (GRIFFITHS, 1999). Comoresultado, a tensão induzida nos terminais de uma antena loop em função do campomagnético é dada por:;

𝑉𝑟𝑥(𝜔) = −𝑗𝜔𝑁𝑟𝑥

∮𝑆

𝜇𝐻 · 𝑑𝑆 = −𝑗𝜔𝜇𝑁𝑟𝑥𝑆𝑟𝑥𝐻 cos(𝜙) (2.28)

em que 𝑁𝑟𝑥 e 𝑆𝑟𝑥 são o número de voltas e a área do loop receptor, respectivamente,e 𝜙 é o ângulo entre o campo magnético 𝐻 e o eixo do loop ortogonal a seu plano. Vê-seem (2.28) que, apesar de o campo sofrer atenuações em alta frequência, o receptor impõeao sinal de saída atenuações em baixas frequências. Em coordenadas esféricas, 𝜙 = 𝜃 se

2.5. Modelagem do Canal e Frequência Ótima de Operação 45

os planos dos dois loops forem paralelos. Expressando 𝐻 em coordenadas esféricas 𝐻𝑟 nadireção 𝑟 e 𝐻𝜃, na direção 𝜃, tem-se:

𝑉𝑟𝑥(𝜔) = −𝑗𝜔𝜇𝑁𝑟𝑥𝑆𝑟𝑥 [𝐻𝑟 cos(𝜃 − 𝜃𝑥) cos(𝜃𝑦) − 𝐻𝜃 sin(𝜃 − 𝜃𝑥) cos(𝜃𝑦)] , (2.29)

onde 𝜃𝑥 e 𝜃𝑦 são ângulos de rotação dos eixos 𝑥′ e 𝑦′ que, por sua vez, são eixosauxiliares criados pela rotação de 𝜑 − 90∘ do eixo 𝑧, em que 𝜑 é o ângulo azimutal.AFigura 16 ilustra a geometria em questão; Em coordenadas cilíndricas, a tensão induzidaem função dos campos 𝐻𝑧, na direção 𝑧′, e 𝐻𝜌, na direção 𝜌′, é dada por:

Figura 16: Geometria para cálculo de campo entre duas antenas loop circulares. O ângulo𝛼 formado pelos vetores ortogonais aos planos determinados pelas duas antenasé resultante da composição de rotações nos eixos 𝑥′ e 𝑦′.

𝑉𝑟𝑥(𝜔) = −𝑗𝜔𝜇𝑁𝑟𝑥𝑆𝑟𝑥 [𝐻𝑧 cos(𝜃𝑥) cos(𝜃𝑦) + 𝐻𝜌 sin(𝜃𝑥) cos(𝜃𝑦)] . (2.30)

Para uma corrente tonal no transmissor, o momento magnético fasorial 𝑚𝑑(𝜔) =𝑁𝑡𝑥𝑆𝑡𝑥𝐼𝑡𝑥(𝜔) indica a força complexa de uma antena transmissora para dada frequência.Adaptando as equações de campo e adotando o conceito de impedância de transferência𝑍(𝑇 ) = 𝑉𝑟𝑥(𝑇 )/𝐼𝑡𝑥(𝑇 ) na frequência espacial normalizada 𝑇 , temos:

𝑍𝑀𝐼𝐶(𝑇 ) = 𝑁𝑡𝑥𝑁𝑟𝑥𝑆𝑡𝑥𝑆𝑟𝑥

[√𝐺𝑡𝑥

𝑟 𝐺𝑟𝑥𝑟 𝐹𝑟 +

√𝐺𝑡𝑥

𝜃 𝐺𝑟𝑥𝜃 𝐹𝜃

](2.31)


como a impedância de transferência em cenário 𝑀𝐼𝐶, em que os ganhos norma-lizados das antenas de transmissão e recepção com polarizações nas direções 𝑟 e 𝜃 são𝐺𝑡𝑥

𝑟 = cos2(𝜃), 𝐺𝑟𝑥𝑟 = cos2(𝜃 − 𝜃𝑥) cos2(𝜃𝑦), 𝐺𝑡𝑥

𝜃 = sin2(𝜃) e 𝐺𝑟𝑥𝜃 = sin2(𝜃 − 𝜃𝑥) sin2(𝜃𝑦), e

𝐹𝑟 e 𝐹𝜃 são funções de transferência do canal de propagação dadas, respectivamente, por:

𝐹𝑟 = 𝑇 2

𝜋𝜎𝑟5 𝑒−𝑇√

1 + 2𝑇 + 2𝑇 2𝑒𝑗{tan−1( 𝑇1+𝑇

)−𝑇 − 𝜋2 } e (2.32)

𝐹𝜃 = 𝑇 2

2𝜋𝜎𝑟5 𝑒−𝑇√

(1 + 𝑇 )2 + (𝑇 + 2𝑇 2)2 × 𝑒𝑗{tan−1( 𝑇 +2𝑇 21+𝑇

)−𝑇 + 𝜋2 }. (2.33)

Em 𝑍mic(𝑇 ), toda distorção linear se encontra em 𝐹𝑟 e 𝐹𝜃, incluindo a operaçãoderivativa no loop receptor. Isto facilita a separação de contribuições em toda a rede emfunção do tipo de sistema linear. Para as aproximações de campo (WAIT, 1971);(SPIES,1972);(DURKIN, 1997b) que utilizam o modelo de semi-espaço homogêneo (𝑠𝑒ℎ), a impe-dância de transferência 𝑍𝑠𝑒ℎ(𝒯 ) e as funções de transferência 𝐹𝑧, 𝐹 𝑢𝑝

𝜌 e 𝐹 𝑑𝑜𝑤𝑛𝜌 são dadas,

respectivamente, por:

𝑍𝑠𝑒ℎ(𝒯 ) = 𝑁𝑡𝑥𝑁𝑟𝑥𝑆𝑡𝑥𝑆𝑟𝑥

[√𝐺𝑟𝑥

𝑧 𝐹𝑧 +√

𝐺𝑟𝑥𝜌 𝐹𝜌

], (2.34)

𝐹𝑧 = 𝒯 2

𝜋𝜎𝑟5 𝑒−𝑗 𝜋2

∫ ∞

0𝛽(𝑥)𝐽0(𝐷𝑥)𝑑𝑥, (2.35)

𝐹 𝑢𝑝𝜌 = 𝒯 2


∫ ∞

0𝛽(𝑥)𝐽1(𝐷𝑥)𝑑𝑥, e (2.36)

𝐹 𝑑𝑜𝑤𝑛𝜌 = 𝒯 2


∫ ∞

0𝛽(𝑥)𝐽1(𝐷𝑥)(𝑥2 + 𝑗2𝑇 2)1/2

𝑥𝑑𝑥, (2.37)

em que 𝐺𝑟𝑥𝑧 = cos2(𝜃𝑥) cos2(𝜃𝑦) e 𝐺𝑟𝑥

𝜌 = sin2(𝜃𝑥) cos2(𝜃𝑦). Neste modelo, parte dosganhos normalizados das antenas são contabilizados dentro da função de transferência docanal e dependem, sobretudo, de 𝜌, ℎ, 𝜃𝑥 e 𝜃𝑦.

O cálculo da potência entregue ao receptor em função dos parâmetros do sistemaé importante para diversas medidas de desempenho em sistemas de comunicações.

A relação entre as potências dissipada (transmissão) no primeiro loop e entregueao receptor conectado ao segundo loop é dada por:

𝑃𝑟𝑥

𝑃𝑡𝑥

= |𝑍(𝑇 )|2𝑅𝑡𝑥𝑅𝑟𝑥

, (2.38)

2.6. Modelagem de Antenas para comunicação TTE 47

de onde obtêm-se √𝑃𝑟𝑥,𝑚𝑖𝑐 =

√𝑃𝑡𝑥Φ𝑡𝑥Φ𝑟𝑥

√𝐺𝑡𝑥

𝑟 𝐺𝑟𝑥𝑟 𝐹𝑟 +

√𝐺𝑡𝑥

𝜃 𝐺𝑟𝑥𝜃 𝐹𝜃

, (2.39)

√𝑃𝑟𝑥,𝑠𝑒ℎ =

√𝑃𝑡𝑥Φ𝑡𝑥Φ𝑟𝑥

√𝐺𝑟𝑥

𝑧 𝐹𝑧 +√

𝐺𝑟𝑥𝜌 𝐹𝜌

, (2.40)

em que Φ𝑡𝑥 e Φ𝑟𝑥 são as aberturas específicas das antenas de transmissão e re-cepção, respectivamente. A abertura específica de uma antena loop é função de seuraio 𝑎, massa 𝑀 , densidade de massa 𝜌𝑙 e condutividade do filamento 𝜎𝑙, e dada porΦ = 0.5𝑎

√𝑀𝜎𝑙/𝜌𝑙.

Tanto 𝑍(𝑇 ) quanto 𝑃𝑟𝑥/𝑃𝑡𝑥 carregam parâmetros intrínsecos dos loops utilizados.Então, para se compreender o comportamento do canal, escolhe-se usar as funções detransferência 𝐹 que, apesar de serem dependentes da forma da antena, independem deseus parâmetros. A Figura ?? apresenta o espectro de amplitude da função de transferênciado canal para antenas em configurações coaxial e coplanar.

Figura 17: Módulo da função de transferência do canal entre duas antenas loop nas con-figurações coaxial e coplanar segundo os modelos mic e seh(uplink).

Observa-se que os canais são passa-faixa, em que, para a configuração coaxial,a frequência normalizada ótima é 𝑇𝑜𝑝𝑡 ≈ 2.83 com fator de qualidade 𝑄 = 2.2 e faixafrequencial não simétrica à 𝑇𝑜𝑝𝑡. Como exemplo, para uma profundidade 𝑟 = 200 m com𝜎 = 10−2 S/m, a frequência ótima é 𝑓𝑜𝑝𝑡 ≈ 5 kHz e a largura de banda com menos de 3 dBde variação é de 11 kHz. Para a transmissão coplanar, 𝑇𝑜𝑝𝑡 ≈ 3.86 com fator de qualidade𝑄 = 1.8.

2.6 Modelagem de Antenas para comunicação TTEA escolha do tipo e dimensões de antenas em comunicações TTE depende do

alcance da comunicação e do espaço físico disponível no local. Como falado anteriormente,


antenas baseadas em campo magnético, como loops, são preferíveis em relação a antenasbaseadas em campo elétrico, como dipólos ou monopólos elétricos, pois campos elétricospossuem maiores taxas de atenuação em meio condutivo (YARKAN S. GUZELGOZ,2009);

O momento magnético produzido por uma antena pode depender do material uti-lizado e da geometria da antena. Em sistemas que utilizam antenas loop e que necessitamtransmitir com alcance moderado (>300 m), pode-se requerer antenas de transmissão dedezenas de metros de raio. Pequenos loops de uma ou mais voltas são frequentementeusados em comunicação de curta distância em minas e cavernas (GIBSON, 2003);

Outro tipo de antena utilizado como receptor em comunicação TTE é a haste deferrite (GIBSON, 2003) composta por um solenoide fino com várias voltas e núcleo commaterial magnético de permeabilidade dezenas de vezes maior que a do vácuo. O númerobem maior de voltas e o material do núcleo compensam a pequena seção transversalda antena. Esta estrutura, apesar de muitas vezes longa (entre 10 cm e 2 metros), podeoferecer maior mobilidade ao equipamento de rádio que, no entanto, é normalmente usadana ponta subterrânea onde a potência atmosférica é menor. O fato do receptor de superfíciesofrer mais com o ruído atmosférico traz a necessidade de estruturas maiores como loopsconectados a amplificadores de baixo ruído com devidos circuitos de casamento de ruído;

Comparando as duas antenas no modo transmissão, uma antena loop de uma voltacom 1 m de diâmetro e 200 g de massa produz momento magnético 𝑚𝑑 = 30𝐴𝑚2 com 10W de potência dissipada. Uma pequena haste de ferrite de um pouco mais de 1 cm deraio e 20 cm de comprimento produz momento magnético equivalente dissipando o dobrode potência. No entanto, uma antena de 8,5 Kg de massa e 50 metros de diâmetro podeproduzir até 𝑚𝑑 = 30𝑘𝐴𝑚2 dissipando 100 W (GIBSON, 2003) percebe-se a dificuldadedo uso de hastes de ferrite em receptores leves para comunicação móvel pessoal, devido oalto consumo de potência, o que não impede seu uso em receptores móveis mais pesadosusados em máquinas.

2.7 Amplificador para o circuito TTE

Nem todos os amplificadores são o iguais, cada um tem suas classificações deacordo com as suas especificações e finalidade do circuito. Em eletrônica, pequenos ampli-ficadores de sinal são geralmente dispositivos usados para amplificar um sinal de entradarelativamente pequeno, pois ele dá um ganho na amplitude de uma determinada grandezado sistema, seja ela tensão ou corrente.

Há muitas formas de circuitos eletrônicos classificados como amplificadores, de am-plificadores operacionais e amplificadores de Pequenos sinal até Grandes sinal e amplifica-dores de potência como é possível ver na Tabela 2.7.1. A classificação de um amplificador

2.7. Amplificador para o circuito TTE 49

Tipo de sinal Tipo de configuração Classificação Frequência de operaçãoPequenos Sinais Emissor Comum Amplificador Classe A Corrente Continua (DC)Grandes Sinais Base Comum Amplificador Classe B Frequência de áudio (AF)

Coletor Comum Amplificador Classe AB Frequência de rádio (RF)8,93 Amplificador Classe C Frequèncias UHF, VHF e SHF

Tabela 3: Tabela de classificação dos amplificadores

depende do tamanho do sinal, a sua configuração física grande ou pequeno e como eleprocessa o sinal de entrada, que é a relação entre o sinal de entrada e fluxo de correntena carga.

2.7.1 Amplificador:

Amplificadores pode ser idealizado como uma caixa simples ou um bloco que con-tém o dispositivo de amplificação, assim como um transistor ou um amp-op (amplificadoroperacional), que tem dois terminais de entrada e dois terminais de saída (terra sendocomum) com o sinal de saída sendo muito maior do que a do sinal de entrada, uma vezque tenha sido amplificado. Geralmente, um amplificador de sinal ideal tem três carac-terísticas principais, a resistência de entrada (𝑅𝑖𝑛), resistência de saída (𝑅𝑜𝑢𝑡) e ganho(A), como é possível observar na Figura 18. Não importa como complicado é um circuitoamplificador, um modelo de amplificador geral ainda pode ser utilizado para mostrar arelação destas três propriedades.

Figura 18: Modelo de amplificador ideal

A diferença entre os sinais de entrada e de saída é conhecido como o ganho doamplificador e é basicamente uma medida da quantidade de amplificação o amplificadordará ao sinal de entrada. O ganho pode ser calculado como a razão entre o sinal de saída eo sinal de entrada, por exemplo, se tivermos um sinal de entrada de 1 volt e uma saída de50 volts, então o ganho do amplificador seria 50, lembrando que o ganho é uma grandezaadimensional.


2.7.2 Ganho do amplificador:

Existem três tipos diferentes de ganho do amplificador que podem ser medidos eestes são: Ganho de Tensão (𝐴𝑣), Ganho de Corrente (𝐴𝑖) e ganho de potência (AP):

2.7.3 Ganho do amplificador do sinal de entrada:

Na Figura 19 é possível ter uma representação de como é o funcionamento de umamplificador. Na entrada tem-se um sinal de entrada pequeno, ele passará pelo estágio deamplificação, que dará um ganho específico, dependendo da topologia adotada, cada tipode topologia dará um ganho específico e na saída tem-se o sinal de entrada amplificado.

Figura 19: Esquemático de representação do ganho de um amplificador

2.7.3.1 Amplificador de ganho de tensão:

ganho de tesão(𝐴𝑣) = Tensão de saidaTensão de entrada = 𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛

, (2.41)

2.7.3.2 Amplificador de ganho de corrente:

ganho de corrente(𝐴𝑖) = Corrente de saidaCorrente de entrada = 𝐼𝑜𝑢𝑡

𝐼𝑖𝑛

, (2.42)

2.7.3.3 Amplificador de ganho de potência:

ganho de potência(𝐴𝑝) = 𝐴𝑣𝐴𝑖, (2.43)

2.7.4 Amplificador de ganho de potência:

O amplificador de pequenos sinais é geralmente referido como um amplificador de"tensão", porque eles geralmente converter uma pequena tensão de entrada para uma ten-são de saída muito maior. O amplificador de grandes sinais, conhecido como amplificadorde Potência, é entregar uma maior energia para a carga.


O amplificador de potência funciona segundo o princípio básico da converção deenergia DC, que é retirada de uma fonte de energia, em um sinal de tensão AC queserá fornecida à carga. A amplificação é grande, porém a sua eficiência nesta conversão épequena, com isso havendo a necessidade de grandes porções de energia para alimentar osistema.

O amplificador perfeito ou ideal nos daria um índice de eficiência de 100% ou pelomenos o a potencia de entrada seria igual à potência de saída. Contudo, na realidade istonão pode, nunca, acontecer, pois parte da energia é perdida na forma termica e, também,o próprio amplificador consome energia durante o processo de amplificação. Para podersaber a qualidade do amplificador, calcula-se sua eficiência. Ela pode ser obtida com ouso da seguinte formula:

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎(𝜂) = Potência entregue a cargaPotência retirada da carga = 𝑃𝑜𝑢𝑡

𝑝𝑖𝑛

, (2.44)

2.7.5 Amplificador ideal:

As características de um amplificador ideal:

∙ O ganho de amplificadores, (A) deve permanecer constante para diferentes valoresdo sinal de entrada;

∙ Ganho não deve ser afetado por frequência. Sinais de todas as frequências deve seramplificado por exactamente o mesmo valor;

∙ O ganho de amplificadores não deve adicionar ruído ao sinal de saída. Deve-seremover qualquer ruído que é já existe no sinal de entrada;

∙ O ganho de amplificadores não deve ser afetados por mudanças de temperatura quedão boa estabilidade de temperatura;

∙ O ganho do amplificador deve permanecer estável durante longos períodos de tempo;

2.7.6 Classes de Amplificador:

∙ Amplificador Classe A - tem baixa eficiência, inferior a 40

∙ Amplificador Classe B - é duas vezes mais eficiente que os amplificadores de classeA, eles possuem uma eficiência máxima, teórica, de cerca de 70

∙ Amplificador Classe AB - tem um índice de eficiência entre a de Classe A e ClasseB, mas sua reprodução do sinal é ruim quando comparado com os amplificadores declasse A.


Classe A B C ABÂngulodecondução

360o 180o Menor que 90o Entre 180o e 360o

Posição doPonto Q(Qualidade)

Ponto centraldaslinhas de cargas

Exatamente noeixo X Abaixo do eixo X Entre o eixo X e o

centro da linha de carga

Eficiência Pobre25 a 30%

Melhor70 a 80%

AltaMaior que 80%

Melhor que o A e piorque o BEntre: 50 a 70%

Distorçãodosinal

NenhumaNo eixo X nopontode Crossover

GrandesQuantidades Pequenas quantidades

Tabela 4: Tabela comparativa das classes de amplificadores

∙ Amplificador classe C - Ele é a classe de amplificador mais eficiente uma vez que ape-nas uma muito pequena parte do sinal de entrada é amplificado, consequentemente,o sinal de saída carrega pouca semelhança com o sinal de entrada. Os AmplificadoresClasse C têm a pior reprodução do sinal

É possível ver um comparativo entre os amplificadores, segundo suas classes, atra-vés da Tabela 2.7.6.

Classificação com relação a potência:

a Amplificadores de pequeno sinal ou baixa potência, cujos sinais de entrada são da ordemde unidades de 𝜇V a dezenas de mV, ou correntes de coletor na ordem de unidadesa centenas de mA., ou potências de coletor na ordem de mW. Podemos empregá-loscomo pré- amplificadores.

b Amplificadores de média potência, cujos sinais de entrada são da ordem de centenasde mV, ou correntes de coletor na ordem de centenas de mA a unidades de Ampère,ou potências de coletor na ordem de centenas de mW a unidades de Watt. Podemser empregados como amplificadores intermediários.

c Amplificadores de potência, cujos sinais de entrada são da ordem de centenas de mV,ou correntes de coletor na ordem de unidades a dezenas de Ampères., ou potên-cias de coletor na ordem de unidades a centenas de Watt. São empregados comoamplificadores finais de potência.

2.7.7 Especificação do projeto:

Será necessário o desenvolvimento de um amplificador de média potência, quetrabalhará na faixa ULF e VLF. Tem-se a necessidade de uma reprodução fiel do sinal de


entrada, então deve-se utilizar um amplificador da classe A ou AB.

55

3 Resultados

Nesta seção, o trabalho vai abordar os resultados obtidos de criação do projetocom a pesquisa desenvolvida.

3.1 Transmissor TTE

3.1.1 Estudo do condutor do suporte da antena:

3.1.1.1 Diâmetro da Secção Transversal do Fio:

Devido a necessidade de uma maleabilidade com o fio para enrolá-lo ao redor dosuporte foi escolhido um fio AWG 11, pois é um fio maleável, porém com uma bitolagrossa.

∙ Medida do Diâmetro da Secção Trasversal do Fio: Com o auxílio de umpaquímetro foi verificado os valores do diâmetro do fio disponível. Os resultadosforam os apresentados:

– Medida Experimental: 2,3 mm;

– Medida padronizada pela tabela: 2,305 mm;

3.1.1.2 Capacidade de corrente do fio:

Se for feito a secção do fio utilizando a medida experimentalmente, tem-se:

𝑆𝑓 = 𝜋𝑑2

4 = 4, 15756 ∼= 4, 155, (3.1)

Onde d é o diâmetro do fio, ou bitola.

Com isso calcula-se que a capacidade de corrente (𝐶𝑐) é dado por:

𝐶𝑐 = 3, 2· 𝑆𝑓 = 13, 2952 ∼= 13, 30𝐴, (3.2)

3.1.1.3 Comprimento do fio

Normalmente fios esmaltados são vendidos pelo seu peso, com isso é necessáriosaber a relação entre o peso e o seu comprimento, os fios esmaltados seguem uma tabelapadrão, como a tabela da Figura 9;

56 Capítulo 3. Materiais e Métodos

Com o peso do fio e sabendo a sua espessura em AWG é possível ter um estimativado tamanho do fio. O fio disponível para os testes tem cerca de 1KG e é o AWG 11

Com isso tem-se:

1 Km = 32,1 Kg

Fazendo a relação direta é possível concluir que a estimativa de tamanho do fio éde:

1/32,1 Km = 1 Kg

1 Kg de fio de cobre esmaltado AWG 11 equivale a 0,031153 Km ou 31,153 m;

3.1.1.4 Resistência em ohms por quilômetro:

Para encontrar a resistência esperada do fio é só aplicar a formula (2.2); Com issotem-se:

𝑅 = 4, 07· 0, 0311531000 = 0, 127Ω, (3.3)

Nos circuitos de sintonia, esta resistência é importante na determinação do fatorde qualidade (fator Q), o qual está relacionado com a “seletividade” do circuito, conformejá salientamos.

A resistência medida em laboratório foi de: 0,192 Ω. A diferença entre os resultadosencontrados e o teórico pode ter sido causada pelo aparecimento de resistência parasitanas pontas de prova do sistema.

3.1.1.5 Calculo da indutância gerada pelo enrolamento de fio:

𝐿 = 𝜇𝑁2𝐴

𝑙=

4𝜋𝑥10−7· 342𝜋· (26/2100

2)

𝑙= (1, 25664𝑥10−6)· 342· 0, 0169

0.04 = 0.614𝑚𝐻, (3.4)

Quando foi realizado o experimento no laboratório encontrou-se um valor de 0,426mH, o que é um valor plausível quando considera-se as perdas do sistema;

3.1.2 Suporte da antena:

Será utilizada uma antena de loop pequena, ou antena magnetica. Ela será utilizadapara frequências baixas, ou seja entre 300 Hz à 30K Hz e seu comprimento de onda é de1000km a 10 km. É aconselhado que o tamanho da antena seja um décimo do comprimentode onda (YARKAN S. GUZELGOZ, 2009), ou seja, se temos uma antena de 30K Hz, aantena deveria ter o diâmetro de 1 km (GIBSON, 2003), mas fazer antenas desse tamanhoé uma tarefa difícil, e é muito complicado para instalar em uma mina subterrânea. Para

3.1. Transmissor TTE 57

a comunicação em minas utilizaremos o comprimento de onda da rocha (𝜆𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎), como foiargumentado na secção 2.2.1.1, no caso 𝜆𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎= 300m;

Utilizando o comprimento de onda da rocha (𝜆𝑟𝑜𝑐ℎ𝑎), seria ideal produzir umaantena de cerca de 30m, mas devido extensão muito elevada e dificuldades para montaroptou-se por trabalhar com uma antena menor. Para dar início aos testes verificou-se seera possível fazer uma antena que trabalhasse na mesma zona de frequência desejada comdimensões menores. Verificou-se que é possível e não o ideal, porém por dificuldades ealgumas restrições optou-se por dar continuidade utilizando uma antena menor. A antenainicial para o testes foi confeccionada em mdf de 18mm e revestida nas duas faces comlaminado melamínico que confere resistência superficial a antena. O suporte tem 2 metrosde comprimento e no formato quadrado para facilitar o transporte e a montagem quandonecessário como mostrado na Figura 20.

Figura 20: Protótipo inicial da antena loop com 1 metro de raio.

3.1.3 Amplificador

Para o desenvolvimento do transmissor TTE foi necessário idealizar um estágio deamplificação antes que a antena possa irradiar o sinal. Então projetou-se um amplificadorde corrente de média potência, que daria conta de puxar um sinal na ordem de mili-ampere, em sua entrada, e ter um sinal na ordem de dezenas de amperès. Nesse circuito nãoserá necessário preocupar-se com os efeitos de alta frequência em componentes discretos,devido o amplificador trabalharar em uma faixa entre ULF e VLF, então se desenvolveuum amplificador do tipo Cascode, utilizando um transistor par darlington. Como resultadoobteve-se o seguinte esquemático, apresentado na Figura 21.

58 Capítulo 3. Materiais e Métodos

Figura 21: Esquemático do amplificador no Proteus

Para verificar o funcionamento e se está atingindo as expectativas, foi acopladocomo carga os valores encontrados para o fio esmaltado utilizado para os testes prelimi-nares dos condutores que envolverão a antena. Então a carga era de 8 Ω + 68 𝜇H, que nocaso seria a antena.

Com o auxílio do simulador Proteus conseguiu-se testar e verificar o resultadoexperimental esperado, mostrando que os resultados esperados foram atingidos conformeé possível ver na Figura 22.

Como é possível ver na Figura 22, tem-se um sinal de entrada de 1mV 𝑉𝑃 𝑃 e nasaída manteve-se esse sinal sem distorção, mas com um ganho de corrente considerávelpara o projeto, como o esperado. Dessa forma para um primeiro projeto e idealização decircuito amplificador foi encontrado um resultado plausível que pode ser implementadoque atenderá as especificações do protótipo.

3.1. Transmissor TTE 59

Figura 22: Teste na saída do amplificador de corrente com o osciloscópio do simula-dorProteus

61

4 Discussões e Próximos Passos

4.1 Discussões

A problemática desse trabalho é baseada nas comunicações das minas subterrâ-neas, principalmente em casos onde ocorrem acidentes e há vítimas. Com as análiseslevantadas e os objetivos que foram traçados foi possível ter um conhecimento mais apro-fundado do problema, visando estudar as melhores possibilidades para as soluções doproblema. O início das simulações e estudo do projeto levantou diversas hipóteses e pro-posições para serem abordadas nas soluções e tiveram uma grande importância para acontinuidade do projeto.

A comunicação sem fio em minas subterrâneas é um grande desafio, pois o soloimpõe severas restrições ao projeto do sistema de comunicações. Para a comunicaçãoTTE é muito importante as frequências de ULF e VLF, pois essas frequências baixasconseguem vencer obstáculos com uma maior facilidade que as frequências mais altas,com isso sofre menos com as atenuações do solo. O uso dessas frequências de maiorcomprimento de onda (𝜆) faz com que se tenha uma pequena largura de banda e elalimita as possibilidades de modulação digital, sendo razoável considerar a transmissão embanda-base com formatação de pulso adequada.

Uma boa alternativa às soluções cabeadas em minas subterrâneas é a comunicaçãoTTE. Ela é uma comunicação que se consegue expandir facilmente com o crescimento dasminas, e é robusta ao ponto de conseguir manter o link em caso de acidentes dentro damina. Mesmo com todas as suas vantagens, sua comunicação é um desafio pois as técnicasutilizadas em comunicação sem fio, usando ondas eletromagnéticas não são favorecidas poresse ambiente, pois há grandes perdas no meio de propagação, dificuldade no modelamentodo canal e grande tamanho físico da antena para poder estabelecer o link. Com isso énecessário caracterizar a antena para saber seu funcionamento e otimizá-la.

Tendo em vista esse projeto, tem-se a intenção de criar um protótipo da comuni-cação TTE para caracterizar a antena Loop utilizada. Para chegar no resultado desejado,o primeiro trabalho de conclusão visa desenvolver todo o conhecimento necessário sobre atecnologia de comunicação existente para esses casos de comunicação em mina e começara idealizar os primeiros protótipos para o sistema, como amplificador e o suporte ondeserá confeccionado a antena e a própria antena para poder ser caracterizada.

Os objetivos propostos por esse trabalho foram alcançados. Foi desenvolvido aprimeira simulação do protótipo para amplificação do sinal que será enviado pela antena,também foi avaliado o material que será o envoltório do suporte da antena e desenvolvido

62 Capítulo 4. Resultados e Discussões

o suporte para que na segunda parte do projeto, no trabalho de conclusão de curso 2, possaser medido experimentalmente e caracterizada devidamente a antena e sua comunicaçãona tecnologia TTE.

4.2 Próximos PassosAs atividades a serem realizadas para o cumprimento total do projeto estão des-

critas na imagem Figura 23, as atividades a serem realizadas para alcançar os resultadosdesejado para o projeto estão apresentadas neste cronograma.

Figura 23: Cronograma do projeto

63

Referências

AL., G. S. et. To the rescue! World Coal, 2010. Citado na página 26.

BALANIS, C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. [S.l.]: 3rd ed. JohnWiley andSons, 2005. Citado 4 vezes nas páginas 9, 37, 38 e 39.

BANDYOPADHYAY, S. C. L.; MISHRA, P. Wireless communication in undergroundmines. RFID-Based Sens. Netw, 2010. Citado 2 vezes nas páginas 22 e 27.

CHOWN, M. Knitting in Space. [S.l.]: New Scientist, 29th August 1998, 43-44., 1998.Citado na página 32.

COUTINHO, H. M. A Comuncacao. 2011. Citado na página 15.

DONOGHUE, A. M. Occupational health hazards in mining: an overview. [S.l.]:OXFORD, 2004. Citado na página 21.

DURKIN, J. Surface vertical magnetic field produced by a finite loop buried in an earthcontaining a thin conducting sheet. Radio Science, vol. 32, no. 1, pp. 19?3, 1997. Citado2 vezes nas páginas 41 e 42.

DURKIN, J. Surface vertical magnetic field produced by a finite loop buried in an earthcontaining a thin conducting sheet. Radio Science, vol. 32, no. 1, pp. 19?3, 1997. Citadona página 46.

FOROOSHANI, A. E. A survey of wireless communications and propagation modelingin underground mines. Communications Surveys & Tutorials, IEEE, v. 15, n. 4, p.1524-545, 2013. Citado na página 24.

GIBSON, D. Channel characterisation and system design for sub-surface communications.[S.l.]: Ph.D. dissertation, School of Electronic and Electrical Engineering, 2003. Citado7 vezes nas páginas 9, 28, 30, 31, 32, 48 e 56.

GRIFFITHS, D. J. Introduction to Electrodynamics. [S.l.]: Prentice Hall, 1999. Citado 2vezes nas páginas 41 e 44.

JAYANTHU, A. P. A. N. S. Wireless communication systems for underground mines acritical appraisal. International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT),vol. 4, no. 7, pp. 3149 153, 2013. Citado na página 23.

JOUGHIN, F. H. R. I. R. Signal processing for through-the-earth radio communication.Communications, IEEE Transactions on, vol. 43, no. 12, pp. 2995?003, 1995. Citado 2vezes nas páginas 24 e 27.

MCLENDON, W. E. P. . H. R. C. J. T. Through-the-earth electromagnetic trappedminer location systems: A review. US Department of Interior, Bureau of Mines, 1985.Citado na página 18.

MECATRONICAFACIL. MecatronicaFacil - Trabalhando com fio esmal-tado. 2011. Disponível em: <http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/1326-trabalhando-com-fios-esmaltados>. Citado 3 vezes nas páginas 9, 34 e 35.

http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/1326-trabalhando-com-fios-esmaltados

http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/1326-trabalhando-com-fios-esmaltados

64 Referências

MURPHY, S. Y. S. G. H. A. R. R. Underground mine communications: A survey. IEEECOMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, VOL. 11, NO. 3, 2009. Citado 5vezes nas páginas 16, 17, 21, 22 e 23.

MUTMANSKY, H. L. H. J. M. Introductory Mining Engineering. [S.l.]: 2 ed, 2002.Citado na página 15.

N EPLEY; J, P. W. Z. N. J. K. Egocentrism over e-mail: can we communicate as well aswe think? Journal of Personality and Social Psychology, 2005. Citado na página 15.

NEWS, E. New through earth communication system for coal mining. EndeavourMagazine, 2014. Citado na página 27.

POSTMAN, N. The surrender of culture to technology. New York: Vintage Books, 1993.Citado na página 15.

SAAD, F. Acidentes frequentes em mineracao. 2012. Citado na página 17.

SAFETY, N.I. for O.; HEALTH. Tutorial on wireless communication and electronictracking part 1: Technology overview. 2009. Citado na página 22.

SILVA, J.M. da. Introducao a lavra subterranea. 2015. Citado na página 16.

SPIES, J. R. W.K. Subsurface electromagnetic fields of a circular loop of current locatedabove ground. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 20, no. 4, pp.520?22, 1972. Citado 2 vezes nas páginas 42 e 46.

STAFF, B. o. M. B. Underground mine communications, control and monitoring. Bureauof Mines Information Circula, 1984. Citado na página 17.

STARKEY, D. B. Electromagnetic transmission and detection at deep depths. SandiaLaboratories Report SLL-73-5278, 1973. Citado na página 41.

TELECO - Inteligencia em Telecomunicacoes. 2015. Disponível em: <http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialwifi/pagina_3.asp>. Citado 2 vezes nas páginas9 e 22.

WAIT, J. R. Electromagnetic induction technique for locating a buried source.Geoscience Electronics, IEEE Transactions on, vol. 9, no. 2, pp. 95?8, 1971. Citado 2vezes nas páginas 42 e 46.

WTI - Managing Network Devices in Mining Applications. 2015. Disponivel em:<http://www.wti.com/t-managing-network-devices-in-mining-applications.aspx>.Citado 2 vezes nas páginas 9 e 24.

YARKAN S. GUZELGOZ, H. A. R. M. S. Underground mine communications: A survey.Communications Surveys Tutorials, IEEE, vol. 11, no. 3, pp. 125?42, 2009. Citado 4vezes nas páginas 21, 22, 48 e 56.

YENCHEK, M. R. Niosh-sponsored research in through-the-earth communications formines: A status report. Citado 2 vezes nas páginas 23 e 24.

http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialwifi/pagina_3.asp

http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialwifi/pagina_3.asp

http://www.wti.com/t-managing-network-devices-in-mining-applications.aspx

CARACTERIZAÇÃO DE ANTENAS PARA O SISTEMAS TTE

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