quinta-feira, 6 de agosto de 2009

O Transmissor de VHF - FM

Os transmissores de VHF operam quase sempre em FM. A razão para o uso da modulação em frequência em VHF deve-se a maior largura de faixa disponível nas frequências elevadas. Por outro lado, a modulação em frequência e muito suscetível ao desvanecimento seletivo (FADING), comum nas frequências destinadas às faixas de MF e HF (300 kHz A 30 MHz).
Existem diversas maneiras para obter-se um sinal modulado em frequência na faixa de VHF, de acordo com a finalidade do transmissor e o desvio de frequência utilizado. Em transmissores de radiodifusão, devido à utilização de um desvio de frequência relativamente grande, de 75 kHz, não e possível o uso de um oscilador modulado em frequência controlado a cristal. Para se conseguir o desvio necessário, deve-se utilizar um oscilador LC modulado em frequência (Figura 1).
Para manter-se a estabilidade em frequência, é utilizado um elo de controle automático de frequência do tipo PLL, onde a frequência do oscilador LC é comparada com a frequência do oscilador de referência controlado a cristal. Qualquer diferença entre a frequência do oscilador LC e a do oscilador de referência, que não seja causada pela modulação, fará com que o comparador de fase gere uma tensão de controle. Essa tensão é aplicada ao diodo varactor, fazendo variar sua capacitância e corrigindo, dessa maneira, o erro de frequência.
A função da pré-ênfase é manter o índice de modulação independente da frequência do sinal modulador; como se sabe, o índice de modulação é dado pela relação entre o desvio de frequência da portadora e a frequência do sinal modulador. Quando sua frequência aumenta, o índice de modulação diminui. Para que tal não aconteça, basta fazer a amplitude do sinal modulador proporcional a sua frequência. Dessa maneira o índice de modulação e mantido constante em toda a faixa. A pré-ênfase pode ser obtida por um circuito que reforce os sinais de frequência elevada. Em radiodifusão, o reforço começa em aproximadamente 2 kHz e termina em tome de 13 kHz.


Figura 1 - Diagrama em blocos de um transmissor de FM para radiodifusão


Os estágios oscilador, separador e pré-excitador são transistorizados. Isso acontece devido ao nível relativamente baixo de potência desses estágios. Os estágios excitador e amplificador de potência empregam válvulas eletrônicas porque a potência desses estágios e muito elevada para a utilização de transistores.
Os transmissores de FM para radiocomunicações utilizam um esquema de funcionamento diferente do encontrado nos transmissores de radiodifusão. Isso ocorre por dois motivos: o desvio de frequência utilizado é de apenas 5 kHz, o que pode ser facilmente conseguido por um oscilador modulado em frequência controlado a cristal e a potência de saída raramente ultrapassa 70 W.
Por razões que envolvem a estabilidade em frequência e a prevenção contra a ocorrência de oscilações parasitas, utilizam-se, na maior parte dos transmissores, para a faixa de VHF, estágios multiplicadores de frequência. Isso possibilita o uso de uma frequência de oscilação relativamente baixa (Figura 2). No presente caso são usados dois estágios triplicadores de frequência. Por isso, a frequência de transmissão é nove vezes maior que a frequência do cristal.


Figura 2 - Diagrama em blocos de um transmissor de VHF-FM para radiocomunicação


Deve-se salientar que os estágios multiplicadores aumentam também o desvio de frequência na mesma proporção, assim, se o desvio de frequência requerido na saída do transmissor for de 5 kHz, no oscilador o desvio necessário será nove vezes menor, ou seja, 556 Hz, o que é facilmente conseguido com um oscilador a cristal.
Nota-se no diagrama da Figura 2 o uso de um estágio limitador. Sua finalidade e impedir que seja ultrapassado o desvio máximo permitido de 5 kHz. Como o desvio de frequência depende da amplitude do sinal modulador, o desvio máximo deve ser mantido dentro do valor desejado pela limitação da amplitude do sinal modulante. Observe que o estágio limitador está colocado após o circuito de pré-ênfase. Isso é necessário para que não ocorra desvio excessivo nas frequências mais elevadas do sinal modulador.
Outro tipo de circuito utilizado na construção de transmissores de VHF-FM para radiocomunicação emprega um oscilador modulado operando numa frequência relativamente baixa, de, por exemplo, 10,7 MHz, que e posteriormente convertida para a frequência final de transmissão com o auxílio de um misturador (Figura 3). A razão para se usar esse tipo de circuito é a possibilidade que o mesmo oferece para o emprego do mesmo oscilador tanto no transmissor quanto no receptor. Isso representa uma considerável simplificação no projeto de equipamentos transceptores de rádio (um transceptor consiste de um transmissor e um receptor de rádio no mesmo equipamento). Outra vantagem desse tipo de circuito é a facilidade de se construir transceptores para diversas frequências. Um transceptor que utiliza apenas o processo de multiplicação de frequência necessita, para cada frequência diferente, de dois osciladores, um para o transmissor e o outro para o receptor. Isso não ocorre nos transceptores em que a frequência final de transmissão e obtida pelo processo de mistura, pois o mesmo oscilador e utilizado tanto no transmissor quanto no receptor.


Figura 3 - Diagrama em blocos de um transmissor de VHF-FM para radiocomunicação do tipo de heteródito

Transmissor VHF-FM para Radiocomunicação

A Figura 4 mostra o diagrama de um transmissor de VHF-FM para radiocomunicações e, a Figura 5, o diagrama de um amplificador de potência para o circuito da Figura 4. Todo o processamento do sinal de áudio do transmissor e realizado pelo circuito da Figura 6.
O transmissor da Figura 4 utiliza multiplicadores de frequência para a obtenção da frequência final de transmissão, que pode estar entre 144 MHz e 174 MHz. O desvio de frequência, durante a modulação, e igual a +/- 5 kHz.


Figura 4 - Transmissor de VHF-FM para radiocomunicação


O diagrama em blocos desse transmissor é semelhante ao apresentado na Figura 2, existindo, contudo, algumas diferenças: é utilizado um oscilador-dobrador de frequência e um amplificador de potência mais simples, de 30 W de saída, com apenas um transistor, mostrado na Figura 5.

O Oscilador Modulado em Frequência é formado pelo transistor Q2, que oscila na frequência determinada pelo cristal X1. Esta frequência, que é de 27 MHz, para uma frequência de transmissão de 162 MHz, pode ser modificada seja pelo ajuste de L1, seja pela variação da tensão aplicada em D1, que é o diodo varactor encarregado da modulação em frequência.
O varactor D1, recebe uma tensão de polarização inversa proporcionada pelo divisor de tensão formado por R12 e R13, através de R11. Através de C8 e R10' o varactor recebe, também, a tensão modulante proveniente da etapa de áudio do transmissor. A combinação da tensão de polarização com a tensão modulante provoca variações na capacitância do diodo, que, por sua vez, acarretam variações na frequência produzida pelo oscilador. Estas variações correspondem a 1/6 da variação de frequência do sinal na saída do transmissor, uma vez que a frequência transmitida é seis vezes maior do que a frequência do oscilador, devido à utilização de estágios multiplicadores de frequência. O diodo zener D2 e usado para regular a tensão de alimentação do oscilador, evitando variações de frequência causadas pela variação da tensão de alimentação.
A realimentação para iniciar e manter as oscilações é proporcionada pelas capacitâncias base-coletor e base-emissor de Q2. A carga de coletor de Q2 consiste de dois circuitos ressonantes LC paralelos associados em serie. O primeiro, formado por L2/C14, atua como a impedância Z1 de um oscilador Hartley em emissor-comum, equivalendo, portanto, a um indutor. O segundo circuito, LC, e formado pelo primário de T1, em paralelo com C13, estando sintonizados no segundo harmônico do cristal, ou seja, 54 MHz, para uma frequência final de 162 MHz.
O sinal de saída é acoplado ao estágio seguinte, o triplicador de frequência por intermédio do filtro LC-serie C15/L3, sintonizado, também, em 54 MHz. Em paralelo com a base do triplicador Q3 está conectado o filtro LC paralelo C16/L4, sintonizado em 54 MHz, que, juntamente com C18, atua como um filtro rejeita faixa de 27 MHz, necessário para a total eliminação da portadora.

O Triplicador de Frequência é composto pelo transistor Q3, pelo filtro de sintonia dupla formado por L5/C19 e L6/C20, sintonizado em 162 MHz. A multiplicação de frequência é obtida pela operação de Q3 em classe C, o que faz com que a sua corrente de coletor seja rica em harmônicos. O harmônico desejado - neste caso, o terceiro - é selecionado pelo filtro passa-faixa de alta seletividade conectado ao coletor de Q3. Todos os sinais são atenuados - 60 dB, pelo menos, em relação ao sinal desejado. A polarização de base é determinada tanto pelo valor de R17, quanto pelo nível do sinal proveniente do oscilador. Seu valor é escolhido de modo a reforçar a saída do terceiro harmônico, em relação aos outros sinais.
Após o triplicador de frequência, o sinal é amplificado pelos transistores Q4 e Q5, que operam em emissor-comum, em classe B. O transistor Q4 recebe uma pequena polarização inicial através do divisor de tensão R20/R21, tomando mais fácil o ajuste inicial do transmissor, pelo aumento do ganho do amplificador para sinais de pequena intensidade. O sinal amplificado é acoplado à base do estágio seguinte por meio do casador de impedâncias formado por C21, C23 e L7. Em paralelo com a base de Q5 esta conectado XRF4, enrolado sobre uma conta de ferrite de 4 mm de diâmetro externo, tendo a finalidade de estabilizar o amplificador e servir, ao mesmo tempo, de caminho para a corrente continua de base. A potência aplicada à base de Q5 é suficiente para que o mesmo forneça, na saída, cerca de 4 W. Para casar o coletor de Q5 com a linha de 50 ohms, é utilizado o casador de impedâncias formado por C25, L8, C26 e L9. O indutor L9 é utilizado para reduzir a resposta em baixa frequência, além de aumentar a seletividade do circuito, o que reduz o nível de sinais espúrios presentes nas saídas e, conseqüentemente, a possibilidade de interferências.
A alimentação dos dois últimos transistores é filtrada e desacoplada por C22/XRF3 e C24/XRF6. Os capacitores são de disco de cerâmica e sua frequência de auto-ressonância deve ser superior a frequência da portadora do transmissor.
A chave CH-1 permite o funcionamento independente da etapa de áudio e dos estágios oscilador e triplicador de frequência, o que facilita o ajuste inicial do circuito e possibilita que o sinal obtido seja utilizado para a calibração do receptor, quando o transmissor fizer parte de um transceptor de VHF-FM.

Unidade Amplificadora de Potência

A unidade amplificadora de potência é composta por um amplificador de potência classe C, em emissor-comum; um circuito de comutação de antena a diodos; um filtro de harmônicos e um acoplador direcional.


Figura 5 - Amplificador de potência para VHF-FM


O Amplificador de Potência consiste de um transistor MOTOROLA MRF240, capaz de fornecer ate 40 W de saída, a partir de uma excitação de apenas 4 W, tendo, portanto, um ganho de potência igual a 10 dB. Para o casamento de impedâncias entre a entrada do amplificador de potência, que é de 50 ohms, e a base do transistor, é utilizado um casador de impedâncias do tipo "microstrip line", composto pela linha impressa LT1 e pelos capacitores de sintonia C4 e C5. Os capacitores C6 e C7 funcionam como compensadores para a reatância indutiva da base do transistor, fazendo com que a impedância vista pela linha seja uma resistência pura. Para casar o coletor do transistor amplificador de potência com a carga de 50 ohms, é utilizado o mesmo tipo de casador de impedâncias empregado no circuito de base, sendo este composto pela linha impressa LT2 e pelos capacitores C9, C11 e C12. O acoplamento do sinal de entrada e do sinal de saída é efetuado pelos capacitores C1, C2 e C3, para a entrada, e C15, C16 e C17, para a saída. A associação de três capacitores em paralelo, no lugar de um único capacitor de valor equivalente, deve-se Ii necessidade da redução da indutância residual dos capacitores empregados, que são de disco de cerâmica.
Os capacitores empregados na construção do amplificador de potência, principalmente os conectados nas linhas impressas casadoras de impedâncias, e os empregados na linha de alimentação de coletor, são de mica blindada, devido à baixa indutância residual desses componentes.

O Comutador de Antena é composto por diodos PIN do tipo BA243. Esses diodos possuem a propriedade de conduzir correntes alternadas de frequência elevada, devido ao elevado tempo de armazenamento, ts, que apresentam quando diretamente polarizados por uma corrente contínua de algumas dezenas de miliampéres.
Durante a transmissão, o terminal identificado por COMUTAÇÃO recebe uma tensão positiva, fazendo com que os diodos D1 a D4 conduzam. Os diodos D1 e D2 conectam a saída do amplificador de potência com o filtro de harmônicos e, por meio deste, com a antena. Os diodos D3 e D4 conectam o terminal do indutor L6 para a massa, fazendo com que apenas uma pequena fração do sinal gerado pelo transmissor chegue ao terminal Rx, destinado à conexão de um receptor. O capacitor C19, conectado ao extremo oposto de L6, sintoniza sua reatância indutiva, fazendo com que não haja perturbação do indutor sobre o funcionamento do amplificador de potência.
Durante a recepção, é removida a corrente contínua dos diodos, fazendo com que apresentem alta impedância para os sinais captados pela antena, que, desta maneira, atingem o terminal Rx sem nenhuma atenuação. O comutador permite, portanto, que um receptor e um transmissor compartilhem da mesma antena.

O Filtro de Harmônicos é composto por quatro seções de um quarto de onda conectadas em cascata. As primeiras três seções estão colocadas antes do acoplador direcional e a quarta, após o mesmo, diretamente no conector de antena. A primeira parte do filtro inclui uma armadilha para o segundo harmônico, composta pelos componentes L8 e C27, destinada a aumentar a atenuação deste harmônico. O filtro completo assegura uma atenuação de harmônicos superior, em módulo, a - 65 dB.

O Acoplador Direcional é utilizado para a obtenção de uma amostra da potência direta, que é fornecida pela Unidade Amplificadora de Potência, e da potência refletida, que é a potência devolvida por uma antena que não esteja com a sua impedância exatamente igual a do transmissor. Ambas as amostras são convertidas em corrente contínua pelos diodos retificadores, sendo utilizadas para controlar a excitação do amplificador de potência, com a finalidade de manter a potência direta constante e de proteger o transistor amplificador de potência, no caso de descasamento de impedância com a antena. (A Unidade de Controle não esta incluída no circuito.)
O acoplador direcional consiste de três linhas de transmissão impressas, sendo que a central, de 50 ohms, conduz a energia de RF entre o amplificador de potência e a antena. De cada lado da linha central, dispostas paralelamente a mesma, estão duas outras linhas, de 82 ohms, que captam uma amostra do campo eletromagnético gerado pela linha central. O efeito da interação entre o campo elétrico e o campo magnético originados pela linha central sobre as linhas laterais é tal que, na extremidade da linha voltada para a carga, a tensão resultante é nula. Assim sendo, somente haverá tensão retificada pelo diodo D6, caso haja reflexão de energia por parte da antena transmissora. O diodo D5, por sua vez, estará sujeito apenas aos sinais que se propaguem do transmissor em direção a antena.

Projeto

Um transmissor de VHF-FM para radiocomunicação, que utiliza o processo da multiplicação de frequência, utiliza filtros muito seletivos para a obtenção do sinal multiplicado. Normalmente, são utilizados filtros de dupla sintonia após o estágio multiplicador de frequência. Isso é necessário para que se possa obter uma atenuação de pelo menos 60 dB da fundamental e dos harmônicos indesejados. A rejeição da fundamental pode ser aumentada pelo uso de acoplamento capacitivo entre os filtros. Ambos os processos são adotados no circuito analisado, como se pode ver na Figura 4, pela presença do filtro de dupla sintonia L5/C19 e L6/C20, colocado na saída do triplicador. O mesmo procedimento é adotado para filtrar o sinal gerado pelo oscilador modulado, onde a filtragem produzida por T1/C13 é complementada pelos filtros C15/L3 e C16/L4. Deve-se observar, neste ponto, que a filtragem dos sinais gerados pelo estágio multiplicador de frequência necessita ser feita com o máximo de cuidado, porque os estágios localizados após o multiplicador operam, quase sempre, de forma não-linear eo batimento entre os harmônicos que não tenham sido devidamente atenuados, por causa de uma filtragem inadequada, reconstituem a frequência fundamental, provocando o aparecimento de sinais afastados da frequência desejada por um valor igual ao da frequência do cristal oscilador, tomando muito grande a seletividade necessária para a sua eliminação. A falta da filtragem adequada faz com que o sinal irradiado provoque interferências prejudiciais em receptores, como os de televisão, por exemplo.

Áudio

Limitador de Desvio

Num sistema prático de comunicação por rádio, e necessário limitar-se a quantidade de modulação para evitar um desvio excessivo da frequência da portadora, sobre pena de se causar interferência em canais adjacentes. Isso e conseguido pela limitação da amplitude do sinal modulante entregue ao modulador de frequência.
O limitador de desvio consiste num tipo qualquer de ceifador, desde que adequado para os níveis de tensão de entrada e de saída. Um amplificador operando em sobrecarga e geralmente adequado para a finalidade em vista.

Filtro Passa-baixa

Após o estágio limitador, toma-se necessária a utilização de um filtro passa-baixa para eliminar os harmônicos gerados pelo ceifamento dos picos do sinal. A inclinação da curva de resposta do filtro passa-baixa deve ser de -12dB/8º preferencialmente, iniciando o corte numa frequência igual a da maior frequência do sinal modulante.

Circuito de Áudio Completo

A Figura 6 mostra um circuito de áudio adequado para ser utilizado em transmissores de FM para radiocomunicação.


Figura 6 - Circuito de áudio completo de transmissor de FM para radiocomunicação


Ele executa as seguintes funções:

1) Filtro de RF, para eliminar os sinais de RF gerados pelo próprio transmissor e captados pelo cabo de microfone. O capacitor C1 é quem executa a função.

2) Pré-ênfase, executada pelo capacitor C2, em conjunto com os resistores R2, R3 e R4.

3) Limitador é composto pelo amplificador operacional CI-1, que também atua como pré-amplificador. Os resistores R3 e R4 polarizam a entrada não-inversora com metade da tensão VCC. Os resistores R5 e R6 determinam o ganho de tensão. O ceifamento e obtido pela sobrecarga do amplificador, devido a seu elevado ganho de tensão.

4) Filtro passa-baixa é composto por R7 e R8, os capacitores C4 e C5 e o transistor Q1. É um filtro ativo de ganho unitário e apresenta uma inclinação de - 12 dB/8ª.

O resistor R1 é utilizado para alimentar a cápsula de eletreto do microfone. Caso o microfone utilizado não necessite de alimentação, R1 poderá ser eliminado do circuito.
O potenciômetro R9 é utilizado com a finalidade de ajustar o desvio máximo de frequência da portadora.

Fonte:
Telecomunicações
Juarez do Nascimento
Makron Books

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