segunda-feira, 12 de outubro de 2009

Captação de ondas


Antenas e pré-seletores para AM e DRM

Para as experiências iniciais, efetuadas depois de se ter construído um receptor de ondas curtas ou DRM, pode ser suficiente uma antena telescópica ou mesmo um simples fio, mas este artigo mostra como e possível melhorar a recepção.

Na banda de UHF, as ondas de rádio propagam-se segundo a linha de visão, de forma semelhante ao que acontece com a luz. Assim, a recepção de uma estação fica limitada a cerca de 100 km, valor que depende da altura da antena transmissora. Entretanto, as ondas de rádio com frequência inferior a 30 MHz propagam-se de forma completamente diferente, permitindo alcances muito maiores. Mas é claro que os mecanismos complexos da propagação desta gama de frequências também criam problemas especiais, como a dependência da hora do dia, flutuações apreciáveis na intensidade do sinal e desvanecimento.

Radiação e propagação

A propagação das ondas curtas depende em larga medida da existência de camadas de ar na alta atmosfera, que são tornadas ligeiramente condutoras devido à ionização provocada pelo Sol. A colisão das partículas emitidas pelo Sol com as moléculas de ar, principalmente a radiação gama, origina a sua ionização com a consequente criação de elétrons livres. Estas camadas parcialmente condutoras funcionam como uma espécie de espelho, provocando a reflexão das ondas de rádio que possuam uma dada frequência, se incidirem na camada com um ângulo inferior ao chamado "ângulo crítico". Em termos gerais podemos dizer que para grandes ângulos incidentes, as camadas ionosféricas são transparentes não provo cando reflexão dos sinais. Por outro lado, para o mesmo ângulo incidente, se a frequência da onda for aumentada, a onda deixa de ser refletida para a Terra e refrata-se perdendo-se no espaço exterior. O sinal de um transmissor de ondas curtas também pode ser recebido a curta distancia (30 a 100 km conforme a altura da antena) devido a "propagação terrestre". Alem desta distancia o sinal perde-se devido a curvatura da Terra, tornando impossível a comunicação direta. No entanto, os sinais refletidos pelas camadas ionosféricas podem atingir locais da superfície terrestre situados alem de uma distancia mínima, tal como mostra a figura 1.


Figura 1


Entre o limite máximo da recepção direta e o ponto em que a reflexão ionosférica começa a ser possível, existe uma região denominada "distancia de salto, ou zona de silêncio" (skip zone). O ângulo de reflexão necessária para o sinal ser recebido nesta região é demasiadamente grande. É claro que o transmissor também gera energia que incide na camada ionosférica com esse ângulo, mas como ele é superior ao ângulo critico, a onda refrata-se e perde-se no espaço exterior. Poderia ser recebida, por exemplo, na Lua ou em Marte, se ai existissem seres possuidores de um receptor de rádio. Para cada frequência, a distancia de salto (distancia entre o transmissor e o primeiro local da Terra onde a recepção de ondas refletidas e possível) varia com a hora do dia e depende da atividade solar, uma vez que esta influencia fortemente a ionização da alta atmosfera. Por outro lado, os sinais de rádio com frequência mais elevada só podem ser refletidos se incidirem na ionosfera segundo um ângulo menor e neste caso a distancia de salto também é maior. Durante o dia, a distância de salto é da ordem de 200 km para sinais de 6 MHz e da ordem de 1000 km para 15 MHz. Durante a noite, a distância de salto aumenta, uma vez que a ionização da camada ionosférica diminui e para a mesma frequência passa a ser necessário um ângulo de incidência menor. É por esta razão que muitas vezes estamos ouvindo perfeitamente uma dada estação ao anoitecer e de repente ela desaparece, uma vez que a distancia de salto aumentou com a chegada da noite. Se o mesmo programa estiver a ser difundido em outras frequências, como acontece normalmente com a BBC, DW, etc, basta sintonizar o receptor para uma frequência mais baixa para continuar escutando o mesmo programa. Por vezes, a mesma onda de rádio pode chegar ao receptor através de caminhos diferentes (por exemplo, radiação direta e radiação refletida), mas os diferentes percursos originam certo defasamento dos dois sinais, que poderá provocar o aumento do sinal captado, ou o seu enfraquecimento. Principalmente na banda de ondas curtas, é comum observarem-se rápidas flutuações do sinal recebido. O desvanecimento seletivo do sinal e comum nos transmissores de AM (amplitude modulada) originando uma distorção desagradável, devido a perda quase total da portadora que fica na sombra das bandas laterais. o novo sistema de rádio digital (DRM) também e afetado pelo desvanecimento, mas os métodos de modulação e codificação utilizados são particularmente robustos e podem tolerar uma perda parcial dos dados digitais, sem afetar grande mente a qualidade da recepção. Graças à técnica de correção de erros, mesmo a perda total temporária do espectro DRM geralmente não diminui a qualidade da recepção. Não ha dúvida que o sistema DRM veio trazer nova vida a radiodifusão em ondas medias e curtas. A tabela 1 apresenta algumas das estações DRM que já estão funcionando, mas a lista esta constantemente aumentando.


Tabela 1


Um fio comprido

Os transmissores de ondas curtas potentes podem ser recebidos utilizando uma simples antena telescópica, ou um pedaço de fio com comprimento inferior a um metro, mas para receber estações longínquas é necessária uma antena mais elaborada, de preferência situada fora de portas, bem afastada de outros objetos e situada tão alto quanta possível. Em teoria, uma antena de fio cumprido apresenta uma frequência de ressonância igual a um quarto do cumprimento de onda, embora necessite de um bom plano de massa. Na prática, um fio com comprimento da ordem de 10 metros funciona de forma satisfatória. Se o receptor de rádio estiver situado junto a uma janela, ou perto de uma parede exterior, a extremidade do fio da antena pode ser ligado diretamente na entrada do receptor. Nos outros casos, a ligação deve ser feita utilizando cabo coaxial, ligando a blindagem do cabo à terra, tal como mostra a figura 2.



Figura 2


A impedância do cabo pode ser de 50O ou de 75O. No final, a resistência da antena varia com a frequência do sinal recebido originando uma impedância complexa com componentes alternadamente indutivos e capacitivos. Um cabo coaxial que não é excitado com a sua impedância característica transforma a impedância da antena, podendo provocar apreciável perda de sinal. No entanto, a influência na recepção DRM é mínima, porque este sistema suporta variações de 10 dB na intensidade do sinal. As antenas exteriores do tipo fio comprido são normalmente construídas com fio de vários condutores e grande seção, para se obter maior rigidez mecânica (reduzindo a ação do vento) e menores perdas ôhmicas. Um fio sem ou com encapamento, como os que são utilizados na ligação de alto-falantes (seção de 0,75 mm2 a 1,5 mm2) serve perfeitamente. No caso da recepção DRM, pode ser utilizado um fio muito mais fino. Uma antena experimental, que construímos com fio de cobre esmaltado de 0,3 mm de diâmetro, funcionou perfeitamente e tem a vantagem de passar completamente despercebida. Em muitos casos, o nosso receptor pode ser ligado ao sistema de antenas já existente no edifício. Estes sistemas existentes nos prédios modernos fornecem sinais de TV e UHF, bem como sinais de ondas curtas, medias e longas. Normalmente obtem-se melhores resultados com uma antena exterior em vez de interior. Por vezes, a antena exterior já desapareceu, mas na parede ainda existe o respectivo cabo coaxial que poderá ser ligado ao nosso receptor formando uma antena vertical. É claro que neste caso o condutor central do cabo tem de ser interligado com a blindagem. Normalmente o cabo estende-se pela totalidade do edifício até o telhado e, portanto pode formar uma antena mais comprida que um fio esticado horizontalmente. Por vezes, principalmente quando se pretendem receber sinais de frequência elevada (superiores a 15 MHz), esta antena improvisada até fornece melhores resultados que uma antena exterior construída de propósito.

Pré-seleção

As antenas de fio comprido possuem uma grande largura de banda, permitindo a recepção de sinais de AM (amplitude modulada) desde 500 kHz até 22 MHz, de forma relativamente uniforme e sem ser necessário prever qualquer sistema de sintonia da antena. Contudo, a pré-seleção poderá ser necessária se a recepção se degradar devido a frequências imagem. Os receptores super-heteródinos captam sempre duas frequências; a que se pretende ouvir e a frequência imagem, que está afastada da primeira o dobro da FI (frequência intermédia) do receptor. Quando a FI possui o valor usual de 455 kHz, as frequências imagem estão afastadas 910 kHz da frequência que se pretende receber. Entretanto, alguns receptores possuem um misturador comutado, onde o sinal é misturado não só com a frequência fundamental do oscilador local, mas também com todas as frequências harmônicas ímpares, embora com alguma atenuação. Principalmente no caso da recepção de estações de ondas médias potentes, esta mistura pode criar uma grande interferência com efeitos desastrosos. Nestes casos, um estágio pré-seletor pode melhorar muito as coisas. Normalmente, o estágio pré-seletor fica situado entre a antena e a entrada do receptor é sintonizável. Nas lojas comerciais para radioamadores existem vários modelos de pré-seletores, mas o leitor também pode fabricar uma unidade deste tipo.

Sintonizável

O melhor processo para construir um estágio pré-seletor de frequências, é usar um circuito ressonante sintonizável (figura 3).


Figura 3

A bobina é do tipo de núcleo de ar e o diâmetro do fio tem pouca importância. As bobinas pequenas podem ser construídas com fio de cobre esmaltado de 0,3 a 0,7 mm de diâmetro, mas o fio das bobinas maiores deve ser mais grosso para aumentar a estabilidade mecânica. Uma bobina com 20 espiras, núcleo com diâmetro de 8 mm e comprimento de 10 mm possui uma indutância da ordem de 2,5 mH. Em combinação com um condensador variável de 370 pF, esta bobina ressona a aproximadamente 5 MHz. Este circuito pode, portanto ser sintonizado para as frequências da banda de 49 metros e frequências superiores até cerca de 16 MHz. Uma tomada executada na segunda espira, fornece a impedância apropriada para a ligação ao receptor. A antena pode ser ligada ao circuito ressonante por meio de acoplamento indutivo, utilizando uma bobina de apenas duas espiras. Se as duas bobinas poderem ser deslocadas uma em relação à outra, está encontrado o processo para variar o acoplamento, de forma a encontrar o melhor ponto de funcionamento. Um acoplamento cerrado origina maior transferência de sinal, mas o fator Q do circuito ressonante diminui, reduzindo a atenuação da frequência imagem, uma vez que a banda passante é maior. Se for utilizada uma antena curta do tipo chicote ou telesc6pica, o acoplamento indutivo deve ser maior e a antena pode ser ligada diretamente a extremidade quente do circuito ressonante. Note que a extremidade fria é a que esta ligada a massa do circuito. O circuito ressonante da figura 3 possui um fator Q da ordem de 50, valor que fornece uma banda passante com cerca de 120 kHz, quando trabalha com sinais de 6 MHz. Portanto, o condensador variável tem de ser ajustado com muita precisão para o sinal desejado ficar incluído na banda passante. No caso de recepção DRM (rádio digital), o ponto ótimo de sintonia pode ser reconhecido pela máxima amplitude de sinal apresentada pelo software decodificador, mas o atraso no processamento dos dados torna difícil a sintonia. É mais fácil utilizar um sistema de recepção acústica direta, ligando a saída do receptor diretamente a saída "Line" da placa de som do computador que executa a decodificação. Nesta situação, a sintonia pode ser executada em função do ruído máximo produzido nos alto-falantes do PC. Se o estágio pré-seletor for alojado numa caixa própria, as frequências mais importantes podem ser marcadas numa escala em volta do eixo do condensador variável. A figura 4 mostra o mesmo tipo de circuito ressonante com um diodo de capacidade variável (varicap), colocado no lugar do condensador variável da figura 3.


Figura 4


Neste caso é necessário utilizar uma tensão de alimentação estável e bem filtrada, para a recepção não ser degradada pela modulação de fase do sinal da antena. Com um condensador variável normal, a gama de sintonia do circuito ressonante não ultrapassa 1:3. Uma solução para aumentar a gama de sintonia, é utilizar varias bobinas que podem ser selecionadas por meio de um comutador rotativo. Outra solução, muito utilizada pelos radioamadores na banda dos 8 aos 10 metros (3,5 a 29, 7 MHz), onde e necessária uma gama de sintonia de 1:10, é usar um segundo circuito ressonante e acoplar os dois condensadores variáveis. A figura 5 mostra um circuito deste tipo, onde se utiliza um segundo condensador variável e outra bobina com 10 espiras. Embora para cada posição de sintonia existam duas frequências indesejadas, que o circuito não rejeita, elas estão bem afastadas da frequência imagem e não causam problemas. Hoje em dia já não e fácil adquirir bons condensadores variáveis com dielétrico de ar, mas muitas vezes é possível aproveitá-los de um velho receptor de rádio.

Figura 5


Frequência fixa

Uma alternativa aos pré-seletores ajustáveis é utilizar um filtro de frequência fixa, quando apenas se pretende receber uma frequência, como acontece muitas vezes nas ondas médias. Embora a banda passante seja relativamente grande, é possível obter boa seletividade, uma vez que estamos trabalhando com frequências relativamente baixas. A figura 6 mostra um circuito deste tipo, sintonizado para 1296 kHz e que permite melhorar a recepção da BBC ao anoitecer.


Figura 6


Este filtro pode reduzir a interferência provocada pelos múltiplos da frequência do oscilador local na banda de ondas curtas. Para a banda dos 49 metros existe uma solução ainda mais simples, que utiliza um filtro cerâmico SF6, dos que são normalmente utilizados nos estágios de FI (frequência intermediaria) dos receptores de televisão. A figura 7 mostra como intercalar o filtro entre a antena e a entrada de um receptor, de forma que possa estar ligado e desligado quando já não é necessário. A largura de banda de 100 kHz (3 dB), especificada pelo fabricante para o filtro SF6, é demasiadamente pequena, mas no nosso caso é alargada devido à baixa impedância da antena e do receptor. Na prática, as frequências de corte do filtro (6 dB) ficam situadas a 5850 kHz e 6150 kHz. Este filtro pode ser útil para a banda de 49 metros, quando existe interferência provocada por estações potentes da banda de 40 metros. A 7 MHz o filtro provoca uma atenuação da ordem de 40 dB.


Figura 7


Antenas magnéticas

As antenas de fio comprido captam energia das ondas de rádio, tanto do campo magnético como do campo elétrico. Pelo contrario, as antenas curtas (chicote e telesc6picas) captam principalmente energia do campo elétrico e originam um maior nível de interferência, especialmente quando o receptor é utilizado dentro de portas. O acoplamento entre a antena e os aparelhos elétricos e linhas da rede elétrica é principalmente capacitivo. Portanto, a recepção pode ser melhorada se for captada energia da componente magnética da onda de rádio. Em principio, tudo o que é necessário resume-se à utilização de um fio em forma de anel (também denominado antena de quadro), ou uma bobina. Muitas vezes utiliza-se um quadro com uma ou varias espiras de fio. As antenas de quadro sintonizadas são particularmente eficazes, uma vez que garantem um fator Q elevado, Por exemplo, o leitor pode utilizar um tubo de cobre dobrado formando uma circunferência com um metro de diâmetro. No entanto, película de alumínio colada no exterior de uma caixa de papelão de grandes dimensões também fornece bons resultados. Ligando as extremidades do anel condutor a um condensador variável com 500 pF no máximo, obtém-se um circuito ressonante de Q elevado, que fornece ao receptor um sinal muito forte, levando em conta as reduzidas dimensões deste tipo de antena. Tal como mostra a figura 8, o acoplamento com a entrada do receptor deve ser fraco, para evitar o amortecimento excessivo do circuito ressonante.


Figura 8


Uma pequena bobina da ordem de 10 por 10 centímetros fornece o sinal para aplicar na entrada do receptor. Experimentalmente não e difícil determinar o tamanho ideal da bobina de acoplamento e a sua posição em relação ao anel da antena de quadro. Devido ao elevado Q deste tipo de antena, torna-se desnecessária qualquer outra forma de estágio pré-seletor. Um simples fio basta para construir uma antena magnética, mas o fator de qualidade (Q) será baixo, bem como o sinal fornecido ao receptor. Por outro lado, a largura de banda será demasiadamente grande. No caso de falta de espaço, a dimensão da antena pode ser diminuída, construindo-a com duas ou mais espiras de fio isolado. Uma boa solução para evitar a captação da componente elétrica da onda de rádio, é usar uma antena de quadro blindada, que na sua forma mais simples pode ser construída com um pedaço de cabo coaxial. Uma antena deste tipo pode ser facilmente dissimulada numa estante e fornece uma boa relação sinal/ruído. A frequência de ressonância depende do tamanho da antena e da posição do condensador de sintonia. Se o cabo coaxial possuir um comprimento total de 4 metros, a frequência de ressonância estende-se até menos de 6 MHz e a sintonia pode fazer-se com um condensador variável de 500 pF, tal como mostra a figura 9.


Figura 9


O acoplamento com a entrada do receptor é feita através de um transformador de banda larga, onde a impedância do primário deve ser mais elevada que a impedância do cabo que forma o anel. É possível obter bons resultados com 20 espiras de fio esmaltado enroladas num núcleo de ferrite toroidal. Para o circuito ressonante não ser muito amortecido, fato que baixaria o fator Q, o secundário só deve possuir 2 a 4 espiras. O melhor é determinar experimentalmente o número ótimo de espiras. Para receber sinais de ondas médias, há muito tempo que as antenas de ferrite provaram ser muito eficazes. Tal como as antenas de quadro, são muito insensíveis a interferências provocadas por campos elétricos. A figura 10 mostra uma antena de ferrite, seguida de um estágio para efetuar a conversão de impedância.


Figura 10


Utilizando uma barra de ferrite com diâmetro de 10 mm, são necessárias cerca de 70 espiras de fio de Litz, ou fio de cobre esmaltado com 0,3 mm de diâmetro. Se o diâmetro da barra de ferrite for apenas de 8 mm, o número de espiras terá de subir para cerca de 100. A sintonia é feita com o condensador variável de 370 pF e o circuito ressonante desenvolve elevadas tensões de sinal, mesmo no caso de estações longínquas. Por exemplo, o autor que mora em Essen - Alemanha, já tem obtido 50 mV de sinal, quando utiliza uma barra de ferrite com comprimento de 20 cm, para receber a BBC em 1296 kHz. Na entrada do receptor que possui baixa impedância, a amplitude do sinal é ainda de 5 mV, mais do que suficiente para receber rádio digital.

Fonte: Revista Elektor

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