Acoplador de Antenas e Ondas Estacionárias (TEL178)

Toda a potência do seu transmissor é realmente irradiada? Já notou que em determinados canais você ”chega" melhor? A resposta está neste artigo: conheça a “famigerada" onda estacionária e construa um simples acoplador de antena para um melhor casamento de impedância transceptor antena e, consequentemente, um desempenho muito melhor.

Obs. Este artigo foi originalmente escrito para os radioamadores da faixa de 11 metros ou PX.

 

Naturalmente, para que toda a energia de seu transmissor seja transferida para a antena e desta para o espaço sendo, portanto, irradiada é preciso que haja um perfeito casamento de impedância entre os três elementos que formam este sistema: transmissor, cabo de ligação e antena.

Um problema qualquer de casamento de impedância tem uma consequência somente: a produção de ondas estacionárias e com ela a dissipação de uma parte da energia de seu transmissor no próprio cabo que interliga o transmissor à antena.

Nem sempre o problema de ondas estacionárias é resolvido facilmente Só com o ajuste do comprimento do cabo, obviamente você não opera num único canal o que significa que fazer o transmissor “mandar" tudo para o ar nem sempre é simples.

Para facilitar esta tarefa de transferir com o máximo rendimento a energia do transmissor para a antena, descrevemos neste artigo um acoplador de antenas (na verdade um casador de impedâncias).

Trata-se de um dispositivo que interligado entre seu transmissor e sua antena faz com que suas impedâncias se casem perfeitamente em função do comprimento do fio e da frequência, obtendo-se com isso um excelente rendimento para o seu transceptor.

O circuito que descrevemos é ideal para a faixa dos 11 metros, e pode operar com potências de até 25 watts, sendo de construção e instalação extremamente fáceis.

 

ONDAS ESTACIONÁRIAS

Fala-se muito em ondas estacionárias, na necessidade de manter sua relação perto de 1:1, e em muitas outras coisas relacionadas. Você sabe realmente o que é uma onda estacionária, como ela se forma e pode roubar potência de seu transmissor?

Antes de entrarmos em pormenores construtivos de nosso casador de impedâncias será interessante que o leitor se familiarize com as ondas estacionárias e de que modo elas entram no assunto.

Os sinais produzidos pelo transmissor devem ser enviados à uma antena para serem irradiados. Como não podemos colocar a antena diretamente no transmissor na maioria dos casos, deve existir um cabo de interligação entre estes dois elementos (figura 1).

 

Figura 1 – Interligação entre o transmissor e a antena
Figura 1 – Interligação entre o transmissor e a antena

 

A colocação do cabo não é tão simples quanto pode parecer à primeira vista, pois uma vez mal colocado, este cabo pode ser responsável pela perda de rendimento do sistema.

O transmissor só transfere seu sinal para o cabo na sua totalidade se as impedâncias dos dois forem as mesmas, e o cabo só transfere a energia para a antena em sua totalidade se suas impedâncias coincidirem, e para que isso aconteça não é suficiente comprar o cabo da impedância especificada como ideal.

Os cabos coaxiais apresentam uma impedância afetada também pelo seu comprimento que deve manter uma relação com a frequência do sinal que é emitido e é justamente aí que os maiores problemas podem acontecer: basta cortar o cabo um pouco fora da medida e a energia não se transfere toda para a antena ocorrendo as perdas.

Estas perdas pelo não casamento de impedância do cabo com a antena ou do cabo com o transmissor devem-se à formação das chamadas ondas estacionárias.

E o que são as ondas estacionárias?

Muitos leitores ouvem falar muito dessas ondas, e sabem que sua existência deve ser mantida num nível mínimo para que o aparelho funcione, mas são poucos os que sabem porque elas se formam e o que são na realidade.

Supondo um transmissor ligado a uma linha de transmissão e a uma antena, vemos que, em operação, este transmissor envia sua energia na forma de uma onda que percorre a linha de ponta a ponta, conforme sugere a figura 2.

 

Figura 2 – O sinal percorre a linha de transmissão
Figura 2 – O sinal percorre a linha de transmissão

 

O que temos neste caso é uma onda que caminha do transmissor para a antena, levando a energia do transmissor.

Neste caso, a variação entre o valor máximo e o valor mínimo da tensão de RF em qualquer ponto do cabo é a mesma: todos os pontos passam pela mesma variação de tensão, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 – Tensões ao longo da linha
Figura 3 – Tensões ao longo da linha

 

Dizemos então que a relação de ondas estacionárias é de 1 para 1 ou 1:1. As ondas estacionárias simplesmente não existem.

Supondo agora que parte da energia não consiga passar para a antena e seja refletida de volta para o transmissor. Este sinal, ao voltar encontra o sinal que vem, ocorrendo então um fenômeno em que eles se combinam, denominado batimento (figura 4).

 

Figura 4 – O batimento
Figura 4 – O batimento

 

O resultado é uma espécie de paralisação da onda, ou seja, forma-se o que denominamos "onda estacionária" com o aparecimento de regiões em que não mais teremos os máximos e mínimos transitórios, mas máximos e mínimos fixos, os quais dependem da posição considerada no cabo (figura 5).

 

Figura 5 – A onda estacionária
Figura 5 – A onda estacionária

 

O modo segundo o qual ocorre este fenômeno determina a perda de energia transmitida. Temos então que a relação de ondas estacionárias é dada pela relação existente entre os novos valores máximos e mínimos nos pontos considerados.

Se toda a energia for refletida, por exemplo, teremos pontos fixos em que a tensão será máxima e outros em que a tensão será mínima, onde formam-se os nodos. Ora, como temos variações entre um valor máximo e zero, isso significa que, neste caso, a relação de ondas estacionarias (ROE) tende para o infinito. Não temos qualquer emissão de energia pela antena pois toda a potência fica no cabo (figura 6).

 

Figura 6 – Ondas na antena
Figura 6 – Ondas na antena

 

Devemos então nos preocupar em eliminar a reflexão de ondas no cabo, reduzindo assim a relação de ondas estacionárias o máximo que for possível.

Devemos manter esta relação a mais próxima possível de 1:1.

Um fato importante que deve ser notado neste fenômeno é a mudança de impedância que ocorre num cabo onde estejam presentes ondas estacionárias.

Supondo que num sistema de transmissão tenhamos uma relação de ondas estacionárias de 2:1. Isso quer dizer que existe uma variação na relação de 2 para 1 na tensão de RF encontrada nos diversos pontos do cabo. Nos pontos de mínimo, a tensão não cai a zero, mas sim apenas à metade do valor máximo (figura 7).

 

Figura 7 – Relação 2:1
Figura 7 – Relação 2:1

 

Considerando que a potência fornecida pelo transmissor é constante, isso significa que o produto tensão x corrente deve ser mantido constante (P = V x l).

Como uma variação para mais da tensão implica numa variação proporcional para menos da corrente, vemos que na realidade, quando a tensão varia numa relação de 2, a impedância que é dada pelo quociente das duas grandezas varia numa relação duas vezes mais rápida, ou seja 2 x 2 = 4 (Z = V/I).

Em suma, numa linha de transmissão em que a relação de ondas estacionárias é de 2:1, a impedância apresentada varia 4 vezes para mais e para menos. Num cabo de 75 Ω, por exemplo, teremos variações de 37,5 à 150 Ω.

Com esta variação na impedância, é evidente que não há casamento e, portanto, a energia se perde.

A energia perdida pode inclusive causar problemas:

Não podendo ser transmitida, esta energia fica no cabo ou volta ao transmissor.

No cabo, ela pode causar o seu aquecimento e até a formação de arcos que o estragam.

No transmissor, a energia pode causar a sobrecarga dos circuitos ocorrendo então sua queima (figura 8).

 

Figura 8 – Sobrecarga dos circuitos
Figura 8 – Sobrecarga dos circuitos

 

Evidentemente, tudo que falamos acima só poderá ser constatado se você dispuser de um medidor de onda estacionária (figura 9), o que muitos rádios já têm acoplado.

 

Figura 9 – Medidor de ROE
Figura 9 – Medidor de ROE

 

Cortar o cabo exatamente no comprimento correspondente a frequência de operação é uma solução que nem sempre pode ser considerada definitiva.

Se você transmitir numa faixa relativamente ampla de frequências você não conseguirá obter a relação de 1:1 de ondas estacionárias em toda esta faixa.

Isso significa que, uma pequena variação de impedância ocorre quando você percorre a faixa e esta variação é responsável pelo rendimento diferente nas diferentes frequências conseguidas com seu equipamento (figura 10).

 

Figura 10 – Variação de impedância ao longo da faixa
Figura 10 – Variação de impedância ao longo da faixa

 

Este problema pode, entretanto, ser corrigido, se você tiver um meio de alterar a Impedância do acoplamento entre o seu transmissor e a linha do mesmo modo em que ela variar com a frequência, ou seja, se você colocar entre o transmissor e o cabo um casador de Impedâncias (figura 11)

 

Figura 11 – O casador de impedâncias
Figura 11 – O casador de impedâncias

 

Este dispositivo permite então que você ajuste seu sistema de tal modo que a transferência de energia seja mantida no máximo, com valores próximos de 1:1 da relação de ondas estacionárias.

Casadores de impedâncias podem ser feitos com facilidade e adaptados a qualquer tipo de transmissor e é esta possibilidade que oferecemos aos leitores a seguir.

 

O SEU CASADOR DE IMPEDÂNCIAS

O casador de impedâncias que descrevemos aqui é recomendado para os operadores da faixa do cidadão (11 metros) e pode suportar potências de até 25 W, sem problemas.

Ele possui dois ajustes que permitem levar a relação de ondas estacionárias ao ponto ideal, de maior rendimento.

Conforme mostra a figura 12, onde temos o diagrama completo do filtro, o que temos é uma configuração em PI, com apenas três componentes usados: dois capacitores variáveis e uma bobina.

 

Figura 12 – O circuito
Figura 12 – O circuito

 

Os pormenores construtivos do filtro são mostrados na figura 13, sendo então feitas as seguintes observações:

 

Figura 13 – Construção do filtro
Figura 13 – Construção do filtro

 

Os capacitores variáveis são do tipo usado em rádios portáteis para ondas médias com dielétrico sólido e 270 pF aproximadamente.

A bobina consta de 5 espiras de fio esmaltado 16 AWG em diâmetro de 1 cm, aproximadamente com um comprimento de 1,5 cm.

A caixa usada para a montagem deve ter um formato bem próximo do indicado na figura e deve ser de metal (alumínio ou outro) para que não haja irradiação de sinais através do aparelho.

Para os capacitores variáveis são usados eixos prolongadores feitos com tubos plásticos que podem ser aproveitados de potenciômetros, por exemplo.

Um encaixe é feito nestes eixos e eles são colados nos capacitores variáveis, conforme mostra a figura 13.

Os conectores coaxiais são fixados nos extremos da caixa com a ajuda de parafusos que devem fazer bom contacto com a caixa, servindo assim de blindagem.

As ligações internas devem ser curtas e diretas, conforme mostra o desenho para que não apareçam capacitâncias e indutâncias parasitas que prejudiquem o funcionamento do casador.

Os capacitores variáveis sendo duplos podem ter suas seções ligadas em paralelo para se obter maior capacitância máxima e, portanto, maior faixa de atuação do circuito.

Terminada a montagem, confira todas as ligações antes de usar o seu casador.

 

PROVA E USO

O casador é intercalado entre o transmissor e a antena. Com a ajuda do medidor de ondas estacionárias (ROE) você deve em cada frequência que operar ajustar os variáveis para obter o maior rendimento, ou seja, o mínimo de indicação do medidor de ROE.

Se você não tiver o medidor de ROE, o ajuste do casador pode ser feito durante sua transmissão, pedindo para a estação contatada reportar sobre a intensidade de seu sinal.

 

Artigo publicado originalmente em 1981

 


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