(Posicionamento e Instalação)
Antenas parabólicas, para a recepção de sinais de TV via satélite já podem ser vistas em uma grande quantidade de locais, tais como: residências, hotéis, prédios de apartamentos, etc. No entanto, a instalação de um sistema de recepção de TV via satélite é muito mais do que a simples fixação de uma antena, envolvendo problemas que a maioria dos técnicos e mesmo possuidores dos equipamentos que desejam fazer sua instalação não estão preparados para enfrentar. As frequências elevadas de operação, a pequena intensidade do sinal recebido dada tanto a potência dos transmissores dos satélites como à sua distância tornam o trabalho de posicionamento e instalação da antena uma tarefa crítica. Nesta série de artigo focalizaremos os principais problemas que envolvem a instalação dos sistemas de TV via satélite, falando desde o posicionamento da antena até a própria instalação dos cabos e de distribuição de sinais no caso de um sistema coletivo.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 216 de 1991.
Fundamental para que o técnico saiba abordar um problema, como a da instalação de antenas parabólicas para recepção de TV, é conhecer o princípio de funcionamento do sistema. Somente desta forma soluções coerentes podem ser encontradas para cada caso, se bem que a possibilidade de termos sempre uma trajetória sem obstáculos para o sinal, torne a instalação bem mais fácil e menos sujeitas a problemas que no caso do UHF e do próprio VHF. No primeiro artigo desta série, falaremos do princípio de funcionamento das antenas parabólicas, do posicionamento do satélite e como localizá-lo. Também falaremos do modo de se encontrar a posição exata de sua localidade o que é de fundamental importância para o posicionamento da antena e ainda dos tipos de mecanismos que são usados para que a antena possa ser movimentada.
TV VIA SATÉLITE
A ideia de se utilizar satélites para sistemas de telecomunicações é bem antiga, tendo sido inicialmente proposta por Artur Clarke em 1945. Clarke propôs que a colocação em órbita de três satélites separados por ângulos de 120 graus permitiria a visualização de 3 zonas do planeta, com a possibilidade de se fazer uma cobertura total, já que os satélites também poderiam ver um ao outro, conforme mostra a fig. 1.
No entanto, na prática, a colocação do satélite para um sistema não é algo simples por motivos que passamos a analisar a seguir. A terra gira em torno do seu próprio eixo a uma velocidade tal, que determina o ciclo dos dias e noites. Como a terra também tem um segundo movimento importante, que é o de translação em torno do Sol, com uma volta a cada ano, na verdade a duração de sua rotação não é exatamente 24 horas, mas um pouco menos: 23 horas, 56 minutos e 4 segundos, conforme mostra a fig. 2.
Para colocarmos um corpo em órbita em torno da terra, devemos lança-lo tangencialmente à terra, com uma velocidade suficientemente grande.
Se a velocidade for pequena o corpo descreve uma curva fechada e cai sobre a superfície da terra.
Com velocidade maior, conseguimos fazer com que a curvatura que a trajetória apresenta coincida com a curvatura da terra e ele passa a descrever uma órbita circular.
Se a velocidade superar este valor crítico, a trajetória se alonga e o corpo executa uma órbita elíptica. Finalmente, com uma velocidade muito grande, denominada "de escape" a órbita "abre" e em lugar de uma circunferência ou elipse temos uma parábola que é uma curva aberta, conforme mostra a fig. 3.
O resultado é que um corpo lançado com esta velocidade, que é da ordem de 40 000 km por hora, no caso da terra, perde-se para sempre no espaço.
Para obtermos uma órbita circular para um satélite, a velocidade depende da altura em relação à terra, ou seja, da distância a que o satélite deve ficar. Mais longe da terra teremos uma atração menor e, portanto, com velocidades menores já conseguimos "vencer" a gravidade que "curva" a trajetória. Assim, para uma altura de aproximadamente 300 km, a velocidade para obtermos a órbita circular é tal que o satélite dá uma volta em torno de nosso planeta. a cada 90 minutos, conforme mostra a fig. 4.
Um satélite de telecomunicações que seja colocado em tal órbita não será muito cômodo, pois ele passará por sobre nossa região a cada 90 minutos, e dada sua baixa altura só será visível por alguns minutos.
Só poderemos usá-lo durante este curto intervalo de tempo em que ele estiver sobre a nossa região, conforme mostra a fig. 5.
Para termos algo realmente funcional, podemos encontrar uma órbita tal, para o satélite que ele gire em torno da terra num período que seja igual ao da rotação do nosso planeta. O que significa isso? Significa que o satélite será sincronizado com o movimento de rotação da terra, ficando sempre sobre o mesmo ponto de sua superfície, conforme mostra a fig. 6.
Para quem estiver observando tal satélite a partir da terra, parecerá que ele se encontra "estacionário" num ponto do céu, enquanto que devido ao movimento da terra, parecerá também que as estrelas se movem no firmamento, juntamente com o Sol e Lua de leste para oeste, conforme mostra a figura 7.
A ÓRBITA GEOSTACIONÁRIA
Para que a velocidade angular do satélite na sua órbita seja a mesma de qualquer ponto na superfície da terra e, portanto, ele pareça estacionário, não basta observar apenas a sua altura em relação ao nosso planeta, que é da ordem de 35 800 quilômetros.
O satélite também precisa girar no mesmo plano em que se encontra o equador da terra, conforme mostra a figura 8.
Em outras palavras, existe uma região circular bem definida em torno da terra na qual devem estar obrigatoriamente todos os satélites geoestacionários. Este cinturão é denominado "Cinturão de Clark" e nele se encontram hoje centenas de satélites de comunicações, inclusive os que são utilizados pelo Brasil.
Na fig. 9, temos o posicionamento de alguns satélites usados em transmissão de sinais de TV. Observando-se que sempre se procura colocá-los exatamente sobre a região que devem servir.
Desta forma, no plano do equador, estão sobre o Brasil os satélites Brasilsat I e II, que nos servem.
OS SINAIS TRANSIVIITIDOS
Um satélite de TV nada mais é do que uma estação repetidora que opera em frequências muito altas. O programa gerado é enviado ao satélite numa frequência entre 5,925 GHz e 6,425 GHz (1 GHz = 10 Hz) dependendo do canal a ser utilizado. O satélite recebe este sinal e o retransmite para a terra numa frequência entre 3,7 e 4,2 GHz, conforme mostra a fig. 10.
Um dos problemas mais importantes encontrados na elaboração de um equipamento que deva retransmitir sinais e que, portanto, conte com circuitos ativos no espaço é o referente à energia. Toda a energia para os transmissores vem de baterias solares o que significa uma série limitação em relação a potência disponível. Desta forma, considerando-se a pequena potência de transmissão de cada canal e a enorme distância em que se encontram os satélites, justifica-se a necessidade de dispositivos extremamente sensíveis na recepção e consequentemente muito mais críticos.
Na faixa de 3700 MHz a 4200 MHz operam simultaneamente 24 transponders, com faixa de passagem de 40 MHz cada um.
Observe que existe um sistema de relocação de frequência que é possível através da modificação da polarização do sinal, de modo que, na verdade as 12 faixas disponíveis resultem então em 24 canais. Na transmissão dos sinais são empregadas apenas as polarizações vertical e horizontal, diferentemente da TV comum que chega a usar polarização circular, elíptica, etc. Os comprimentos de onda correspondentes a faixa de operação da TV via satélite são muito pequenos, da ordem de centímetros, o que significa uma grande sensibilidade a qualquer tipo de obstáculo. Não pode haver nada no caminho do sinal entre o satélite e a antena receptora, conforme mostra a figura 11.
A ANTENA
A pequena intensidade do sinal no local da recepção exige o uso de recursos especiais para a sua recepção.
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Uma antena com formato comum, como as usadas em UHF teria varetas muito pequenas, e somente poderia "colher" uma quantidade de energia incapaz de excitar os circuitos eletrônicos do receptor.
Mesmo o uso de muitas destas antenas "empilhadeiras" ainda seria insuficiente para se obter um bom sinal. No entanto, nas frequências elevadas desta faixa de operação de TV, o comportamento dos sinais já se aproxima muito do comportamento da luz, o que significa que para melhorar a recepção "colhendo" mais energia, podemos usar recursos "ópticos" semelhantes aos empregados em telescópios e outros aparelhos semelhantes.
Num telescópio podemos colher uma grande quantidade de luz de uma fonte emissora usando um espelho parabólico, conforme sugere a figura 12.
Por que o formato parabólico?
A ideia básica é colher o máximo de radiação que venha de determinada direção e concentrá-la num único ponto onde seja colocada a "antena" propriamente dita, capaz de converter os sinais eletromagnéticos em correntes elétricas correspondentes.
Se usarmos um refletor com formato esférico, conforme mostra a figura 13 não conseguimos isso, porque, mesmo que os sinais venham com trajetórias paralelas, o ângulo segundo o qual refletem depende da posição em que isso ocorre na antena, o que os faz incidir em pontos diferentes.
Para que todos os sinais refletidos se concentrem num único ponto, o foco da antena, é preciso que ela apresente uma curvatura com características especiais. Demonstra-se que isso é conseguido quando a superfície refletora é parabólica, conforme mostra a fig. 14.
O diâmetro da antena e, portanto, sua superfície vai determinar a quantidade de energia que ela pode colher e, portanto, sua sensibilidade.
Veja o leitor que, para que possamos fazer com que todos os sinais recebidos se concentrem no foco, onde está o sistema alimentador dos circuitos eletrônicos é preciso que a antena esteja corretamente orientada, ou seja, apontada exatamente para o local em que se encontra o satélite.
POSICIONAMENTO DA ANTENA
O satélite ocupa uma posição fixa em relação à terra, o que significa que, uma vez colocada numa determinada posição apontando para este satélite escolhido, ela não mais precisará ser movimentada e se manterá em condições de recepção dos sinais, mesmo levando em consideração o movimento da terra. De fato, o movimento da terra acompanhará o movimento do satélite conforme mostra a figura 15.
Mas, qual é a direção para onde deve ser apontada a antena?
Se estivermos no equador exatamente sob a posição em que se encontra o satélite, isso será fácil de determinar. A vertical do local determina o posicionamento da antena.
Se estivermos fora desta vertical, mas ainda na linha do equador, o posicionamento não será muito difícil, pois teremos de praticamente estabelecer um único ângulo para o posicionamento, conforme mostra a figura 16.
No entanto, se estivermos em qualquer outra localidade, para posicionar corretamente a antena precisaremos de uma informação adicional muito importante além da própria posição do satélite: precisamos saber com exatidão as coordenadas geográficas desta localidade.
Isso ocorre porque, conforme mostra a figura 17, o ângulo segundo o qual deve ser fixada a antena é influenciado pela latitude e pela longitude.
Assim, a latitude nos diz de quanto devemos "elevar" a antena de modo que ela fique com o seu foco diretamente sobre a órbita do satélite, ou seja, aponte para o círculo em que estão os satélites. Esta latitude determina então o ângulo de "elevação" da antena. Já, a longitude nos permite mover o foco da antena no cinturão de modo a encontrar o satélite que queremos. Este movimento feito no sentido lateral é dado pelo azimute.
Veja que, se estivermos exatamente no plano determinado pelo satélite, centro da terra e que é vertical ao equador no ponto em que o corta, o azimute será zero, e só precisaremos conhecer a elevação, conforme mostra a figura 18.
No entanto, para outras posições, teremos um certo ângulo a ser considerado se quisermos ter a orientação da antena.
Em suma, estabelecendo a posição da localidade em que a antena deve ser instalada; conhecendo a posição do satélite temos condições de determinar dois ângulos: azimute e elevação, que proporcionarão a orientação da antena.
Não resta dúvida, que tanto, o estabelecimento desta posição da antena como a determinação de azimute e elevação, consistem na tarefa mais complicada para o técnico instalador, mas conforme veremos a coisa não é tão difícil assim, se bem que, o uso de coisas como bússola, fios de prumo e outros recursos semelhantes assustem muitos que logo imaginarão que se trata antes do trabalho de agrimensura do que de eletrônica.
COORDENADAS DO LOCAL
Na navegação, cartografia, construção de estradas e em muitos outros casos é importante estabelecer a posição precisa de um ponto ou de diversos pontos na superfície da terra.
A maioria dos leitores, deve então estar familiarizada com o sistema de coordenadas geográficas que é usado em plantas, mapas, etc e cuja interpretação muitos aprenderam nas aulas de geografia do curso ginasial. Para localizar um ponto na superfície da terra o que se faz é uma serie de divisões por linhas imaginárias, denominadas meridianos e paralelos, conforme mostra a figura 19.
Os meridianos saem todos dos poios, dividindo a terra em N espécies de gomos, enquanto os paralelos, como o nome diz "cortam" a terra em fatias, sendo o maior deles o Equador.
Os meridianos definem o que chamamos de longitude de um ponto na superfície da terra. Assim, partindo do meridiano zero que é o de Greenwich (Inglaterra) podemos estabelecer "afastamentos" para leste (E) e para oeste (W) sempre em graus. Assim, se dissermos que a longitude de uma determinada localidade é 35 graus oeste (35W) já teremos condições de dizer que ela está em algum lugar sobre o meridiano 35 oeste, conforme mostra a figura 20.
No entanto, ainda não temos uma posição precisa desta localidade.
Precisamos agora saber em que altura deste meridiano está o ponto desejado. Damos então o "afastamento" que ela tem em graus a partir do equador, ou seja, sua latitude que é medida também em graus para o norte (N) ou para o sul (S).
Assim, se a localidade estiver "afastada" do equador 23 graus para o sul, podemos dizer com precisão que ela está no ponto indicado na figura 21, justamente onde o "paralelo 23 graus" cruza com o meridiano 35 graus.
A latitude e longitude de uma localidade são usadas na determinação do posicionamento das antenas parabólicas a partir de tabelas que são fornecidas pelos fabricantes das antenas, no entanto é importante que o leitor saiba exatamente os valores destas grandezas para sua localidade.
Existem diversas formas de se conseguir isso:
A primeira consiste na consulta a um Atlas, se bem que neste caso, as linhas que definem paralelos e meridianos exatos nem sempre passam exatamente sobre sua localidade, o que vai exigir o uso adicional de uma régua, conforme mostra a figura 22.
A segunda forma, que é mais precisa consiste em se consultar algum órgão de sua cidade que possua esta informação, como por exemplo: uma delegacia do IBGE, ou o aeroporto local. Nos aeroportos são disponíveis publicações que trazem as coordenadas exatas dos aeroportos de todas as localidades do Brasil. O ROTAER é uma dessas publicações que consultamos para levar aos leitores a tabela dada a seguir em que procuramos colocar os centros mais importantes.
Na segunda parte deste artigo falaremos do modo para se encontrar o azimute e a elevação da antena parabólica na sua localidade.
