[pt] As teorias clássicas da propagação das ondas eletromagnéticas em presença da terra apresentam soluções gerais que, em vista da complexidade matemática, não se aplicam diretamente aos casos práticos. Desta forma, partindo destas soluções, procura-se determinar aproximações que simplifiquem os cálculos de propagação. Entretanto, devido às condições supostas na obtenção das soluções aproximadas, estas apresentam uma região de validade restrita e a sua aplicação indevida pode acarretar erros inaceitáveis. Este fato, no entanto, não tira o mérito das soluções aproximadas, que, quando empregadas corretamente, fornecem resultados bastante satisfatórios em comparação com os experimentais. O objetivo do presente trabalho é a análise das aproximações efetuadas na obtenção das expressões usualmente empregadas nos cálculos de propagação, onde se procurará evidenciar as limitações inerentes a cada caso particular. O efeito da ionosfera não será considerado, assim como as variações do índice de refração da atmosfera, responsáveis pelo mecanismo da tropodifusão. / [en] In view of the mathematical complexity, the rigorous solutions of the classical theories of radio wave propagation in the presence of the earth are not directly applied to practical problems. Hence, based on these rigorous solutions, approximate expressions are developed to simplify the eveluation of radio wave signal attenuation. However, due to assumptions considered in the derivation of such solutions, they have a limited range of validity and, if erroneously used, can lead to unacceptable errors. Nevertheless, this fact does not take out the merit of the approximate solutions, once when they are correctly employed the numerical results are in accordance with the experimental data. This dissertation intends to analyze the approximations usually carried out in radio wave propagation problems, pointing out limitations associated to each particular case. The effect of the ionosphere will not be considered, as well as, the variability of the refractive index of the troposphere responsibe by the scatter propagation mechanism.

[pt] Esta dissertação trata da modelagem do comportamento dinâmico de cascas cilíndricas laminadas numa faixa considerada de altas frequências onde o comprimento de onda é menor que a espessura da casca. Nestes casos,as teorias tradicionais de cascas tem problemas para representar com acuracidade a resposta dinâmica destas estruturas. Para superar este inconveniente,empregou-se a teoria discreta de Reddy para compósitos laminados.Esta teoria tem como característica o emprego de funções de interpolação para descrever a variação dos campos de deslocamento ao longo da espessura do laminado. Assim, discretizou-se a espessura da casca em lâminas delgadas na direção radial, impondo condições cinemáticas para cada uma delas. Por isto um estado tridimensional de tensões foi assumido para cada lâmina. Esta técnica permitiu a representação de campos de deslocamentos complexos na espessura do laminado representativos daqueles associados às ondas guiadas em altas frequências. A equação de estado que governa a dinâmica da casca foi então obtida no domínio da frequência a partir da aplicação do principio variacional, sendo empregado o método de Riccati para solucionar a mesma. A validação da metodologia proposta nesta dissertação foi feita comparando o espectro de frequência exato com aquele previsto pela teoria aproximada. Desta forma demonstrou-se que a teoria de Reddy é capaz de representar com precisão o comportamento dinâmico da casca cilíndrica na faixa de alta frequência. Além disso, os resultados obtidos na faixa de baixa frequência foram comparados pelo método dos elementos / [en] This dissertation addresses the problem of modeling the dynamic response of laminated cylindrical shells in the high frequency range -short wavelength-. In this range of frequency, traditional theories fail to provide an accurate result of the vibratory structural response; So, in order to overcome this shortcoming, we employed a model based on Reddys discrete layer-wise theory. In this method the cylindrical shell is discretized in an arbitrary number of layers in the radial direction, and a three dimensional stress state is assumed in each one. Hence, the application of this method let the representation of complexes displacement elds through the thickness of the shell. This characteristic is representative of displacement elds associated to guided waves in the high frequency range. In the frequency domain,the governing equations were written in a state space form by applying a variational principle. The solution of this state equation was obtained by employing an algorithm based on a discrete version of the Ricatti transformation.To validate the method proposed in this dissertation, comparisons of the present work to the exact wave-dispersion spectra were assessed with excellent results. It indicates that the present method can predict an accurate description of the dynamic response in the high-frequency range. In the low frequency range, the results of the theory of Reddy were compared with the nite element method and, again, a good accuracy was obtained.

[pt] É notório que a resistência global de uma estrutura composta por várias camadas coladas depende diretamente da qualidade da adesão entre as mesmas. Imperfeições ao longo das interfaces de adesão comprometem significativamente a performance da estrutura. A caracterização não destrutiva destas imperfeições é geralmente tarefa muito difícil. O principal objetivo deste trabalho é apresentar um método analítico-numérico que permite modelar o campo acústico resultante da interação entre ondas ultra-sônicas e interfaces imperfeitas, auxiliando na escolha de parâmetros para o emprego de métodos ultra-sônicos de inspeção. No trabalho, a aproximação quase-estática, proposta por Thompson em meados da década de oitenta,é combinada com o método das perturbações para a modelagem de defeitos localizados ao longo da camada de adesão. O método desenvolvido admite que as camadas sejam feitas de materiais anisotrópicos, e permite a modelagem em altas frequências. Três simulações são apresentadas para exemplificar a aplicação do método. Resultados destas simulações onde feixes ultra-sônicos são incidentes em placas imersas em água revelam frequências e ângulos de incidência para os quais efeitos de espalhamento, que permitem a caracterização de defeitos localizados, são mais significativos. / [en] It is well known that the global strength of multi-layered composite structures strongly depends on the quality of the adhesion between its constituent elements. Imperfections along interfaces of adhesion can strongly compromise structure s performance. The characterization of such defects is a very difficult task. The main goal of this study is the development of an analytic-numerical method to simulate the acoustic field resulting from the interaction between ultrasonic waves and imperfect interfaces, helping in selection of parameters for ultra-sonic inspecting methods. The Quasistatic-approximation (QSA), introduced by Thompson in 1982, is applied together with the perturbation method to allow modelling of interfacial localized aws. A solution algorithm for the problem is developed with the aid of the invariant embedding method. It is applicable to solve wave propagation problems in arbitrarily anisotropic layered plates and it is stable for high frequencies. Three simulations of multi-layered plates immersed in acoustic uid are presented as illustration of the application of the developed method. Results of those simulations indicate the frequencies and angles of incidence where the scattering effects, which allow the characterization of localized defects, are more significant.

[pt] A futura saturação do espectro eletromagnético atualmente alocado para as comunicações móveis tem levado a comunidade científica a considerar o uso das vastas faixas de frequência disponíveis em ondas milimétricas. Esta contribuição se insere no esforço de pesquisa para caracterização dos canais urbanos em ambientes exteriores. O modelo desenvolvido utiliza o traçado de raios 2.5D, com base nos conceitos da ótica geométrica e teoria uniforme da difração. Foram implementadas diversas técnicas consideradas em um futuro padrão de comunicações móveis 5G para a transmissão de sinais de banda ultra larga em canais com e sem visada e consideradas várias classes de espalhadores, como árvores, postes e paredes rugosas com espalhamento difuso. Adicionalmente, foram feitas simulações e comparações em ambientes onde foram realizadas campanhas de medições, nas métricas de: potência recebida, retardo médio, desvio RMS e XPD. Os resultados comparativos mostraram boa concordância geral e foram investigadas possíveis causas de erro em previsões nas métricas adotadas. / [en] The future saturation of the electromagnetic spectrum currently allocated for mobile communications has led the scientific community to consider the use of the vast frequency bands available in millimeter waves. There are some technical obstacles limiting the immediate use of this band. In the radio propagation area, there is a research effort to characterize the outdoor urban channels. The developed model uses a 2.5D ray tracing algorithm based on geometrical optics and UTD concepts in outdoor environments. The model implements several techniques considered in a future standard of 5G mobile communications for the transmission of ultra wide band signals in LOS and NLOS channels with a high density of scatterers: trees, poles and diffuse scattering by rough building walls. In addition, simulations and comparisons were performed in environments where measurement campaigns were carried out, considering the following metrics: received power, mean delay, RMS deviation and XPD. The comparative results showed a good agreement. Possible model impairments were investigated.

[pt] Ondas acústicas, sônicas ou ultrassônicas, podem ser empregadas para a telemetria sem fio como alternativa a sistemas eletromagnéticos, transferindo dados e energia ao longo de um canal formado por uma ou mais camadas de sólidos elásticos ou fluidos acústicos. Um exemplo é a interrogação de sensores passivos através de uma parede metálica. Nesta configuração, pelo menos um transdutor acústico é fixado em um lado da parede (face externa), onde uma fonte de alimentação elétrica é disponível. No lado oposto (face interna), onde os sensores estão instalados, são fixados um ou mais transdutores. Na maioria das aplicações estes transdutores são cerâmicas piezelétricas que geram e recebem sinais ultrassônicos. Ondas acústicas ultrassônicas se propagam ao longo do sólido elástico, transferindo energia e dados entre as duas faces, possibilitando a alimentação e interrogação dos sensores. Este tipo de configuração pode ser empregado em aplicações onde o uso de penetradores elétricos ou ópticos não é recomendado. Entretanto, a resposta das piezocerâmicas pode sofrer influências de variações de temperatura e da própria deformação mecânica da parede metálica na qual são fixados. O presente trabalho procurou quantificar a influência da deformação mecânica e da variação de temperatura na comunicação entre dois transdutores piezocerâmicos ultrassônicos, aderidos à uma placa metálica por meio de adesivo epóxi. No estudo, tomou-se como parâmetro quantitativo o sinal S21, que é o logaritmo da razão entre a potência recebida pela saída do sistema (face interna da parede) pela potência transmitida pela entrada (face externa da parede). O trabalho apresenta comparações entre resultados experimentais e simulados através de um modelo numérico de elementos finitos desenvolvido no COMSOL Multiphysics. Os ensaios experimentais foram realizados com pastilhas piezocerâmicas circulares, do tipo PZT4, com diâmetro e espessura de 25 e 2 mm, respectivamente. Os transdutores foram fixados, de forma concentricamente alinhada e por meio de um adesivo epóxi, nas duas superfícies de uma placa de aço inoxidável AISI 316 L com 6 mm de espessura. O trabalho apresenta tabelas e funções para a amplitude do sinal S21 na frequência onde a transferência de potência é maximizada. Para os casos estudados, observou-se que a frequência ideal muda muito pouco com a temperatura ou a deformação da placa sobre a qual os transdutores são fixados, permanecendo com valores entre 0,988 e 0,995 MHz em todas as condições avaliadas. Em função da deformação da placa metálica, a amplitude do sinal S21 também variou muito pouco, de -3,70 para -3,14 dB, desde a condição indeformada da placa até a máxima deformação aplicada, que foi de 1250 (Micro)m/m. Quanto à variação com a temperatura, na faixa de 30 a 100 Graus C, mais uma vez observou-se apenas um pequeno aumento de 0,8 dB na amplitude do sinal S21. Entretanto, para temperaturas acima de 100 Graus C, o sinal passa a cair rapidamente. Em nenhuma das condições estudadas neste trabalho foi observado prejuízo na transferência de potência entre os transdutores, indicando que este tipo de comunicação pode ser uma alternativa robusta ao uso de penetradores elétricos. / [en] Acoustic, sonic or ultrasonic waves can be used for wireless telemetry as an alternative to electromagnetic systems, transferring data and energy along a channel formed by one or more layers of elastic solids or acoustic fluids. An example of this is the interrogation of passive sensors through a metallic wall. In this configuration, at least one acoustic transducer is attached to one face of the wall (external face) where electrical power supply is available. One or more transducers are also attached to its other side (internal face) where the sensors are installed. In most applications, these transducers are piezoelectric ceramics that generate and receive ultrasonic signals. Ultrasonic acoustic waves propagate along the elastic solid, transferring energy and data between both sides, which enables the power supply and interrogation of the sensors. This type of configuration can be used in applications where the use of an electrical or optical penetrator is not suitable. However, the response of piezoceramics may be affected by temperature variations and mechanical deformations of the metallic wall on which they are attached. The present work sought to quantify the influence of mechanical deformation and temperature changes on the communication between two ultrasonic piezo ceramic transducers, adhered to a metal plate by using an epoxy adhesive. The parameter used to quantify this influence was the S21 signal, which is the logarithm of the ratio between the power received from the output of the system (internal face of the wall) to the power transmitted by the input (external face of the wall). The work presents comparisons between experimental and simulated results obtained by using a finite element model developed through the commercial software COMSOL Multiphysics. In the configuration experimentally tested, two PZT-4 disks with diameter and thickness of, respectively, 25 and 2 mm were concentrically attached to both sides of a 6 mm thick, AISI 316 L stainless steel plate. Amplitudes of the S21 signal measured at the frequency where power transfer is maximized were obtained for different temperature and strain levels. Results for all of the evaluated conditions showed that the impedance matching frequency suffers little influence from temperature variations or strain in the plate on which the transducers are attached, having remained within a range from 0.988 to 0.995 MHz in all tests. As mechanical strains were applied to the metal plate, the amplitude of the S21 signal varied from -3.70 dB to -3.14 dB, from the undeformed condition to the maximum applied deformation (1250 (Micro)m/m). Regarding temperature changes, a small increase of 0.8 dB in the amplitude of the S21 signal was observed when increasing temperature from 30 C Degrees to 100 C Degrees. However, for temperatures above 100 C Degrees, the signal was found to quickly decay. None of the conditions studied in this work brought any impairment to the power transfer between the transducers, indicating that this type of communication can be a robust alternative to electrical penetrators.

[pt] O efeito da atenuação por chuvas em enlaces satélites que operam em frequências acima de 10 GHz é decisivo no cálculo de desempenho do sistema. A evolução da tecnologia dos sistemas satélite e a necessidade de expansão dos serviços de comunicações móveis pessoais levaram ao uso de sistemas de comunicação com satélites de órbita baixa. Estes sistemas são particularmente interessantes para o oferecimento destes serviços por suas características de pequeno atraso de propagação e uso de potência de transmissão mais baixas que os sistemas geoestacionários. Satélites em órbita baixas (LEO) operam em altitudes de cerca de 1000km e possuem movimento em relação à estação terrena. Esta característica de mobilidade traz novas questões sobre o comportamento da atenuação por chuvas, em particular a necessidade de um modelo de previsão de atenuação para estes enlaces com ângulo de elevação variante no tempo. Neste trabalho um modelo para a previsão de atenuação em enlaces com ângulo de elevação fixo, mais preciso do que os existentes na literatura técnica, foi desenvolvido como primeiro passo para o tratamento do problema de enlaces com ângulo de elevação variável. A seguir foi feita uma simulação de medidas em enlaces LEO a partir do banco de dados de medidas de atenuação em enlaces fixos no Brasil, considerando um modelo de constelação de satélites. Foi implementado um método geral que utiliza o histograma dos ângulos de elevação do satélite como ponderação da distribuição cumulativa de atenuação em cada ângulo. O método foi testado contra os resultados obtidos com simulações para a constelação Globalstar sendo obtida muito boa concordância entre o modelo de predição desenvolvido e a simulação. / [en] Rain attenuation is the most important propagation effect to be taken into account in the performance calculation for satellite systems operation at frequencies above 10 GHz. The technological evolution of such systems and the need for personal communication systems with global coverage lead to the use of low earth orbit communication systems, that not only have shorter propagation delays but also allow the use of lower transmission power than the traditional geostationary systems. Low earth orbit (LEO) satellites have altitudes around 1.000 Km and are in motion relatively to the earth stations. This mobility requires a new approach to the problem of rain attenuation prediction, particularly the need for a prediction model that takes into account the elevation angle variability. In this work, an improved rain attenuation prediction method for the geostationary case has been developed as a starting point for the analysis of the nongeostationary case. Then, the rain attenuation in the a LEO system has been simulated using measured data from fixed system systems and the satellite constellation model. A general method for slant path rain attenuation prediction considering variable elevation angles is proposed. The method uses the histogram of the elevation angles to weight the distributions obtained for fixed elevation. The method has been tested with simulations performed for the Globalstar LEO system and a very good agreement was obtained.

[pt] Os efeitos das variações laterais de um terreno irregular na propagação de ondas eletromagnéticas são considerados pela representação dos campos vetoriais em termo de dois potenciais escalares Hertzianos em coordenadas esféricas. A combinação da equação parabólica para esses potenciais com uma condição de contorno de impedância para o solo, seguida por uma transformação de variáveis, define um problema de condição de contorno caracterizado por equações exibindo coeficientes que dependem da função altura do terreno e de suas derivadas parciais. A solução do problema através do esquema de Crank-Nicolson leva a um sistema esparso de equações lineares que é resolvido por um método direto. O modelo numérico resultante é aplicado a terrenos irregulares, representando configurações tridimensionais hipotéticas. / [en] The effects from lateral variations of irregular terrain on the propagation of radio waves are considered by the representation of the vector fields in terms of two scalar Hertz potentials in spherical coordinates. The combination of three-dimensional parabolic equations for these potentials with an impedance boundary condition for the ground, followed by a transformation of variables, will define a boundary-condition problem characterized by equations displaying coefficients that depend on the terrain height function and its partial derivatives. The problem solution through the Crank-Nicolson scheme will lead to a sparse system of linear equations, which will be solved by a direct method. The resulting numerical model will be applied to irregular terrain, representing hypothetical three-dimensional configurations.