Este artigo apresenta um circuito que
não pode operar regularmente devido a restrições que estão sob o
controle da Agencia Nacional de Telecomunicações(ANATEL). Portanto, a
matéria publicada aqui tem apenas um objetivo didático. O uso deste
material é de total responsabilidade do leitor.
A transmissão em FM é um assunto
que desperta o fascínio em muitas pessoas. Só quem já teve oportunidade
de montar um transmissor e vê-lo funcionando sabe a sensação de prazer
proporcionado por este tipo de projeto. Hoje em dia, existem muitas
pessoas que dedicam seus estudos à transmissão de sinais em rádio
frequência e um dos grandes desafios é conseguir um bom alcance dos
sinais irradiados. Este artigo destina-se aos interessados no assunto e
que pretendem estender os seus conhecimentos com as técnicas aqui
apresentadas. Evidentemente este é um tema que envolve muitos
conhecimentos que vêm sendo adquiridos desde as primeiras experiências
realizadas com transmissores e que, se abordado a fundo, seria
necessária uma verdadeira enciclopédia com as mais variadas e complexas
fórmulas para os inúmeros cálculos que envolvem circuitos em RF. O que
se propõe aqui é explicar, de forma simples e objetiva, como se dá a
irradiação e propagação das ondas eletromagnéticas e quais os recursos
para que os sinais possam ser transferidos para o espaço com maior
intensidade.
O oscilador de RF
O circuito mais simples e conhecido para se obter um sinal de rádio frequência é o mostrado na figura abaixo:
O
transistor é o elementro central. Na base temos a polarização e entrada
de áudio. O emissor é conectado ao terra através de um resistor cuja
função é limitar a corrente. No coletor temos o circuito LC onde é feita
a sintonia da frequência a ser transmitida e de onde será retirada a
portadora de RF e aplicada à antena. Há também a presença de um
capacitor realimentador ligado entre o coletor e o emissor do
transistor. Esta configuração é conhecida como base comum e é a mais
simples para um oscilador de RF. Sua potência é da ordem de alguns
miliwatts quando utilizado o transistor BF 494 ou o 2N2222. Esta mesma
configuração admite o uso de outros transistores mais potentes como o
2N2218 ou o 2N3053 sendo que a potência conseguida gira em torno de 750
miliwatts. Existem projetos de transmissores de FM onde são usados
transistores BD 135. Apesar deste transistor não ser específico para RF
ele é capaz de operar em altas frequências permitindo o seu uso neste
tipo de circuito e fornecendo uma potência razoável.
Teoricamente um transmissor com
algumas dezenas de miliwatts pode irradiar o seu sinal a uma distância
perto de uma centena de quilômetros, contudo, para que isto aconteça na
prática a coisa fica um tanto quanto complicada. Primeiramente seria
necessário um excelente sistema irradiante, por exemplo, uma antena
direcional com, pelo menos, 16 dB de ganho e perfeitamente ajustada para
a frequência de transmissão. O acoplamento entre transmissor, cabo
coaxial e antena deveriam ser perfeitos, sem perdas, além da localização
dos sistemas irradiante e receptor que deveriam ser privilegiados, sem
obstáculos. O sistema receptor também deveria ser dotado de uma antena
receptora com as mesmas características da mencionada no sistema
irradiante além de possuir um bom amplificador de RF e um bom filtro.
Para quem pretende montar um
transmissor e obter um bom rendimento do circuito deve-se levar em conta
alguns fatores básicos. Um deles evidentemente é a sua potência, quanto
maior a potência, maior o alcance. Quando se pretende trabalhar com
potências acima de 1W, o transmissor deverá ter uma ou mais etapas
amplificadoras de RF. Um oscilador comum, conforme o que aparece na
figura acima, não fornece mais que algumas centenas de miliwatts, mesmo
com transistores mais potentes, além disso, a instabilidade é um outro
fator que conta pontos negativos quando se pretende irradiar um sinal a
partir de um simples oscilador. O acoplamento com a antena também é de
fundamental importância. Se a saída de um transmissor não estiver
corretamente acoplada ao cabo e este à antena, haverá perdas bastante
significativas e, no caso de transmissores com maior potência, as etapas
de saída poderão queimar-se. Isto porque parte do sinal que era para
ser irradiado volta para o transmissor. O uso de um medidor de ROE
(Relação de ondas estacionárias) nestes casos é indispensável. Para
exemplificar imagine uma bomba de água que é capaz de fornecer 10 litros
por segundo e na sua saída é ligada uma válvula que libera apenas 4
litros por segundo e em seguida um cano que conduz 6 litros por segundo.
O resultado não poderia ser outro senão a danificação de um ou mais
destes três elementos. A situação é mais ou menos parecida em um
transmissor de FM. Digamos que a sua saída fornece 300 Watts de potência
com uma impedância de 50 ohms e é conectada a um cabo que suporta 250W
com 75 ohms de impedância e por fim a antena que trabalha com uma
potência máxima de 150W e sua impedância é de 50 ohms. Não é difícil
imaginar o que aconteceria neste caso. O correto seria usar o cabo e a
antena compatíveis com a saída do transmissor. Outro fator de extrema
importância é a antena que será discutida a seguir.
Antenas
Sem
dúvida nenhuma o componente mais crítico em um sistema de transmissão é
a antena. Ela é responsável por transferir o sinal gerado pelo
transmissor para o espaço e, portanto, deve estar perfeitamente
calibrada para a frequência de trabalho. Existem inúmeros modelos de
antenas com suas características peculiares e que devem ser levadas em
conta quando se pretende montar um sistema irradiante. A polarização é
uma delas. Os sinais de rádio podem ser polarizados verticalmente ou
horizontalmente. Grande parte dos serviços de comunicação usam a
polarização vertical. A polarização horizontal é usada em alguns
serviços de comunicação e também pelas emissoras de televisão. Existe
ainda a polarização circular que é adotada pelas emissoras de rádio FM. A
vantagem deste tipo de polarização é que a antena do rádio pode estar
tanto na vertical quanto na horizontal que não ocorrerão perdas na
recepção.Se uma estação transmite um sinal polarizado verticalmente, a
antena receptora também deve estar posicionada desta forma, caso
contrário haverá uma perda em torno de 20dB.
Outra característica das antenas
que contribui para o bom alcance da portadora gerada por um transmissor
é o seu ganho. Obviamente, quanto maior o ganho, maior o alcance. As
conhecidas antenas plano-terra de 1/4 de onda ou pé-de-galinha, como
muitos a chamam, tem um ganho típico de 0dB. Já as de 5/8 de onda tem um
rendimento bem maior, seu ganho gira em torno de 3dB, sendo portanto,
mais indicadas para uma maior cobertura. Muitos rádio amadores utilizam
esse tipo de antena em suas estações, o que proporciona uma grande
melhoria nas comunicações, contudo, essas antenas são bem mais caras que
as de 1/4 de onda. Via de regra, quanto maior o ganho, mais cara a
antena.
Por fim uma outra característica
das antenas de fundamental importância na área de cobertura
proporcionada por um sistema irradiante é o tipo de irradiação. Existem
dois tipos: omnidirecional (não direcional) que irradia o sinal em todas
as direções e unidirecional. Esta última concentra o sinal em uma única
direção e é altamente indicada para sistemas de comunicação a longa
distância. Para se ter uma idéia, vamos supor que um transmissor esteja
conectado a uma antena omnidirecional e irradie seu sinal em um raio de 1
Km, este mesmo transmissor, com uma antena direcional, irradiará o
sinal a uma distância de mais de 50 Km, dependendo das características
da antena, porém em uma única direção. Imagine a lâmpada de uma lanterna
que concentra o seu foco de luz em um único ponto, a luminosidade será
bem mais forte nessa direção, do que a luminosidade proporcionada pela
mesma lâmapada fora da lanterna uma vez que ela emite a luz em todas as
direções.
Observe nas figuras abaixo os padrões de irradiação de uma antena omnidirecional e outra unidirecional.
Nas próximas figuras são mostrados alguns dos modelos de antenas mais usados nos diversos serviços de comunicação
Esta
é a famosa plano-terra, ou pé-de-galinha. Ela opera com 1/4 de onda e o
seu ganho típico é de 0dB. É bastante usada em emissoras de rádio
comunitárias e também em serviços de comunicação em VHF. A polarização é
vertical.
Esta ilustração representa uma antena de 5/8 de onda. Ela é superior à
plano terra, pois o seu ganho típico é de 3 dB, portanto, a cobertura é
maior. Como o próprio nome já diz, ela é dimensionada para trabalhar com
5/8 de onda da frequência a ser transmitida. Este tipo de antena é
bastante usado nos mais diversos serviços de comunicação em VHF. Sua
polarização também é vertical.
Nesta representação pode-se observar um exemplo de antena direcional do
tipo Yagi com 6 elementos cujo ganho é da ordem de 7dB (existem antenas
com mais de 15 elementos onde o ganho pode superar os 16dB) - Obs.: Não
confundir com antena de TV. Esta é a antena mais indicada para quem
pretende chegar mais longe, contudo o sinal não é irradiado em todas as
direções, como nos exemplos anteriores. A escolha desta antena pode
representar a grande diferença na qualidade de recepção em locais onde a
maioria dos receptores se concentram em uma determinada área. Ela pode
ser polarizada tanto na vertical quanto na horizontal.
Acoplamento
Para
que um transmissor transfira todo o seu sinal para uma antena o
acoplamento deve ser o melhor possível e não apenas ligando-se
diretamente a antena ao coletor do transistor de saída como aparece em
muitos esquemas. O principal fator que se deve levar em conta é a
impedância. Para transmissores de FM a impedância padrão é de 50 ohms.
Existem no mercado alguns tipos de cabos coaxiais e antenas
especialmente projetadas para este fim. Desta forma fica muito mais
fácil a calibração de um sistema transmissor.
Algumas técnicas são usadas para
realizar o acoplamento entre o transmissor e o cabo. Os principais
componentes encontrados nestes circuitos são capacitores, trimmers e
bobinas que, além de acoplarem uma etapa à outra funcionam também como
filtros reduzindo bastante a irradiação de harmônicas e espúrias
responsáveis por interferências em outros aparelhos.
Nas figuras abaixo se pode
observar alguns exemplos comuns de circuitos que são usados para o
acoplamento entre o transmissor e o cabo / antena.
A
melhor forma de acoplamento é mostrada na figura seguinte. Nela uma
bobina secundária é enrolada juntamente com a bobina tanque e o sinal
enviado a um filtro piEste sistema representa uma grande vantagem,
pois como o sinal é extraído da bobina secundária e esta não tem ligação
direta com o circuito de saída do transmissor, não há transferência
direta via coletor, portanto a impedância característica do circuito de
saída não influi sobre as etapas seguintes. Outra vantagem é que há uma
grande redução na interferência do cabo e da antena sobre a saída do
transmissor.
Projetos Práticos
A seguir encontram-se dois projetos de antenas, uma omnidirecional e outra direcional para serem usadas em transmissores de FM.
1o Projeto: Antena Plano-Terra
O
primeiro projeto apresentado é o de uma antena plano-terra
omnidirecional. O ganho é de 0dB e ela poderá melhorar o alcance de seu
transmissor caso você use uma antena interna. Ela opera com 1/4 de onda e
não apresenta grandes dificuldades na montagem e no ajuste. A potência
máxima recomendada é de 150 W. O esquema elétrico desta antena é
mostrado a seguir.
O elemento irradiante é ligado ao fio
central do cabo enquanto os quatros elementros que formam a terra são
ligados à malha do cabo.
A fórmula para se calcular o
tamanho dos elementos é bastante simples: C = 75 / Fo. Onde C é o
comprimento dos elementos, 75 é o fator constante para divisão e Fo a
frequência de operação. O resultado é dado em metros.
Para exemplificar vamos supor
que você tem um transmissor que opere na frequência de 105,1 MHz.
Aplicando a fórmula : C = 75 / 105,1, portanto, C = 0,713606.
Arredondando, C = 0,71 m ou 71 cm.
A próxima figura ilustra um exemplo da antena montada.
Aqui
nota-se a posição dos quatro elementos que formam o terra em um ângulo
de 45 graus em relação ao mastro. Desta forma, a impedância é de 50
ohms.
2o Projeto: Antena direcional de 4 elementos
Este
projeto é mais indicado para aqueles que já detêm uma certa experiência
em RF, visto que o bom desempenho vai depender fundamentalmente dos
ajustes. Trata-se de uma antena direcional formada por quatro elementros
cujo ganho é de 5 dB. O acoplador é do tipo Gama Match o que garante
uma ótima transferência de sinal e o correto ajuste da impedância que
deve ser de 50 ohms. A potência máxima para esta antena é de 100 W.
A seguir encontra-se o esquema elétrico.
Como você pode observar, existe um
conector que recebe o sinal do cabo e o aplica à antena. O pino central é
ligado a um trimmer de 0 - 60 pF que por sua vez é ligado ao elemento
irradiante através de um tubo de menores proporções. Este conjunto forma
o Gama Match. Note que os elementos são aterrados, inclusive o
irradiante. Todos são ligados à gôndola metálica que é ligada ao terra
do conector. Na próxima figura é possível ver como fica a antena
montada.
Observe as conexões dos elementos e do
Gama Match. Os elementos são fixados por meio de parafusos. Abaixo o
Gama Match é visto em detalhes.
Agora vamos às fórmulas para se calcular o tamanho e o espaçamento entre os elementos.
Comprimento do elemento irradiante: C = 142,5 / fo. C é o comprimento, 142,5 o fator constante e fo a frequência de operação.
Refletor: 0,49 . (Comprimento de onda, ou seja, 300 / fo)
1o Diretor (a partir do irradiante): 0,43 .
2o Diretor: 0,40 .
Espaçamento entre os elementos
Refletor / irradiante: 0,25 .
Irradiante / 1o diretor: 0,15 .
Irradiante / 2o diretor: 0,15 .
Gama Match
Ponto A: 0,01 .
Ponto B: 0,06 .
Apesar das fórmulas fornecerem
uma indicação precisa dos tamanhos e espaçamentos entre os elementos de
uma antena há sempre a direfença entre a teoria e a prática e, em se
tratando de RF, essa diferença é bastante presente. A recomendação é que
antes de montar definitivamente a antena os elementos e o Gama Match
sejam dotados de algum mecanismo que permita a variação tanto do tamanho
como dos espaçamentos entre si.
O auxílio de um medidor de
intensidade de campo e de um medidor de ROE são indispensáveis para o
melhor ajuste neste tipo de antena, principalmente quando o transmissor
tiver uma potência razoável.
Para aqueles que não se sentiram
animados a montar esta antena, existe no mercado uma antena direcional
para FM que também poderá ser usada, contudo, sua impedância é de 75
ohms, logo o cabo também deverá ser de 75 ohms (cabo coaxial para TV),
assim como a saída do transmissor.
Com estas informações aqueles que estudam o assunto terão uma ferramenta a mais no desenvolvimento de seus projetos.
Se você gostou e quer ir mais a
fundo nos estudos, existe um bom livro, em inglês, chamado Antenna's
Hand Book, ele traz uma série de informações e fórmulas para quem
pretende construir antenas. É um tanto quanto técnico e também é difícil
de se encontrar, mas é uma ferramenta bastante útil. Uma outra dica são
os sites sobre antenas. No Brasil existem páginas de rádio amadores que
trazem muitas informações.
