Como dar gás no seu transmissor de FM

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:

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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 i

ndicadas 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.

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Nas próximas figuras são mostrados alguns dos modelos de antenas mais usados nos diversos serviços de comunicação.

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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.

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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.

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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.

67A 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 p. Este 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.

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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

9O 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.

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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.

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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.

12Observe as conexões dos elementos e do Gama Match. Os elementos são fixados por meio de parafusos.

Abaixo o Gama Match é visto em detalhes.

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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 . l (l = Comprimento de onda, ou seja, l = 300 / fo)

1o Diretor (a partir do irradiante): 0,43 . l

2o Diretor: 0,40 . l

Espaçamento entre os elementos

Refletor / irradiante: 0,25 . l

Irradiante / 1o diretor: 0,15 . l

Irradiante / 2o diretor: 0,15 . l

Gama Match

Ponto A: 0,01 . l

Ponto B: 0,06 . l

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

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