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Antena Plano Terra para FM e VHF (TEL149)

Uma simples antena plano-terra com apenas 5 elementos pode significar uma boa diferença na irradiação dos sinais de pequenos transmissores de FM ou VHF. Se você tem um pequeno transmissor e deseja ampliar sua área de cobertura, eis aqui a sugestão de montagem de uma antena bastante simples e eficiente.

Se não houver um perfeito casamento de impedância entre a saída de um transmissor e a antena, apenas uma pequena parcela do sinal gerado é irradiado e isso significa menor rendimento ou alcance.

No caso de pequenos transmissores de FM ou VHF, que já possuem uma potência baixa, a perda ainda maior desta potência na irradiação pode limitar bastante seu alcance.

Entretanto, com a utilização de uma antena corretamente dimensionada, podemos aproveitar ao máximo a potência de um pequeno transmissor.

Se você opera um pequeno transmissor numa fazenda ou em uma escola e precisa de um alcance maior sem ultrapassar os limites de potência permitidos, por que não utilizar uma antena simples e eficiente, como a “plano-terra“ descrita neste artigo?

Com apenas 5 varetas esta antena proporciona excelente rendimento e se casa perfeitamente com a impedância de saída da maioria dos pequenos transmissores.

 

UM POUCO DE TEORIA

Os sinais irradiados a partir de uma antena possuem uma polarização que depende da posição de seus elementos .

Assim, enquanto os sinais de TV em VHF são polarizados horizontalmente, o que exige que as varetas das antenas receptoras sejam posicionadas desta forma, os sinais da maioria dos transmissores de VHF e FM são polarizados verticalmente, o que exige que as varetas das ante- nas que recebem ou irradiam os sinais sejam posicionadas desta forma (figura 1).

 

Figura 1 – Polarização
Figura 1 – Polarização

 

Para uma antena transmissora que, portanto, irradia sinais, seu rendimento máximo ocorre quando seus elementos têm uma certa dimensão que, por sua vez, têm relação com o comprimento de onda do sinal que deve ser transmitido.

Por outro lado, a disposição do elemento que irradia os sinais e demais elementos da antena determina não só o padrão de irradiação, como também a sua impedância.

Por padrão de irradiação entendemos as direções segundo as quais os sinais são irradiados com maior intensidade.

Para uma antena dipolo, mostrada na figura 2, por exemplo, temos um padrão de radiação em curva, que podemos observar na mesma figura.

 

Figura 2 – Padrão de irradiação de um dipolo
Figura 2 – Padrão de irradiação de um dipolo

 

Veja, então, que o sinal é irradiado com muito maior intensidade segundo o plano perpendicular aos elementos desta antena.

Segundo o plano paralelo, a irradiação é praticamente nula.

Girando em torno de uma antena deste tipo com um medidor de intensidade campo, notaremos que o sinal cai e sobe de intensidade segundo diferentes posições, gerando as informações que nos levam a elaboração do gráfico da figura anteriormente citada.

É claro que, para uma estação que deve dar cobertura a uma grande área, distribuindo seu sinal, este tipo de antena na transmissão não é conveniente.

Usamos um dipolo como o indicado se desejarmos concentrar o sinal de nosso transmissor numa única direção, em que sabemos se encontrar o receptor que deve receber seus sinais

Os radioamadores e as estações de telecomunicações que têm um único ponto de recepção visado usam este tipo de antena.

Para o caso de desejarmos “trocar” de direção, podemos fazer a montagem da antena num sistema que a gire. Trata-se, pois, de um tipo de antena direcional.

Uma maneira de obtermos um padrão de irradiação “por igual“, ou “onidirecional”, como mostra a figura 3, é montar a antena verticalmente.

 

Figura 3 – Uma antena onidirecional
Figura 3 – Uma antena onidirecional

 

Desta forma, o padrão direcional se transfere para as direções verticais, de modo que na horizontal temos um padrão diferente, que é justamente onde estão as estações que devem receber os sinais (figura 4).

 

Figura 4 – O padrão de irradiação
Figura 4 – O padrão de irradiação

 

Girando em torno de uma antena posicionada desta forma com um medidor de intensidade de campo, vemos que a intensidade do sinal recebido se mantém constante em toda a volta.

Para o caso de uma antena fixa, que deva transmitir sinais em todas as direções, como no caso de um pequeno FM ou VHF, uma antena que tenha este padrão é muito mais interessante que o simples dipolo posicionado horizontalmente.

Mas ainda podemos melhorar um pouco esta antena, se levarmos em conta que o elemento inferior do dipolo pode ser substituído pela própria terra, que é um condutor de sinais.

Chegamos então a uma antena vertical de um elemento, em que o plano da terra passa a ser o outro elemento, cujo padrão de irradiação é mostrado na figura 5.

 

Figura 5 – A antena plano-terra
Figura 5 – A antena plano-terra

 

Trata-se de uma configuração bastante usada por emissoras de rádio que operam na faixa de ondas médias (figura 6), em que temos um e!emento irradiante, que é a torre, normalmente instalado num terreno plano (que corresponde ao plano de terra), e bom condutor de eletricidade (de preferência um terreno pantanoso ou úmido).

 

Figura 6 – Antena transmissora de AM
Figura 6 – Antena transmissora de AM

 

Se quisermos fazer uma antena deste tipo para a faixa de VHF ou FM, em que as varetas são pequenas (pois o comprimento de onda é menor), e instalá-la num telhado, precisaremos ter um plano de terra artificial, ou seja, um conjunto adicional de varetas que funcione como um pIano-terra.

Obtemos, então, a antena conhecida como plano-terra que, na versão básica, é mostrada na figura 7, onde as varetas que formam o plano de terra são posicionadas horizontalmente.

 

Figura 7 – A antena plano-terra
Figura 7 – A antena plano-terra

 

Se as varetas estiverem em ângulo reto, como mostra a figura, a impedância da antena será de 30 Ω.

Observe a relação entre o comprimento das varetas e o comprimento de onda do sinal.

Com as varetas inclinadas para baixo, num ângulo maior, aumentamos a impedância da antena, chegando a 50 ou 75 Ω.

Veja que a impedância deve ser igual à do cabo de ligação e da saída do transmissor, a fim de que tenhamos a transferência total de energia do transmissor para a antena

Como na faixa de FM e VHF os comprimentos de onda são pequenos, o comprimento das varetas serão inferiores a 1 metro, o que permite a realização de montagens compactas e mecanicamente simples.

Lembramos, então, que para calcular os elementos destas antenas podemos utilizar as fórmulas a seguir.

Partindo da freqüência, calculamos o comprimento de onda (?) baseados na fórmula:

? = 300 000 000 / f

onde f é a freqüência, em Hz

? é o comprimento de onda, em m

Para 100 MHz temos:

? = 300 OOO OOO/100 OOO 000

? = 3 metros

 

A vareta vertical tem por comprimento A = ?/4.

Para 100 MHz temos:

A = 3/4

A = 0,75m ou 75 cm

 

Para as varetas do plano-terra temos:

L = 0,769m ou 76,9 com

Para outras freqüências você poderá calcular facilmente as dimensões dos elementos de sua antena.

É claro que, na prática, devemos prever a influência de capacitâncias parasitas e outros elementos, o que vai exigir alguns “retoques” nas dimensões até se obter o melhor rendimento.

 

MONTAGEM

Na figura 8 temos a montagem da antena, que tem por base de fixação um conector coaxial.

 

  Figura 8 – Montagem da antena
Figura 8 – Montagem da antena

 

A vareta vertical pode ser uma antena telescópica, que será posicionada de modo a ficar com o comprimento previsto.

Na figura 9 temos pormenores da fixação desta vareta.

 

    Figura 9 – Fixação da vareta
Figura 9 – Fixação da vareta

 

Basta usar um pedaço de fio curto comum na sua ligação e depois envolver a base da antena com uma luva de PVC ou um tubo de plástico cheio de cola epóxi.

Quando a cola secar ela segurará em posição a vareta vertical e também a prenderá firmemente na base de montagem.

Como a cola epóxi é isolante, não existe perigo de infiltração de água, que afeta a impedância, ou mesmo fugas de natureza elétrica.

A base é um retângulo de alumínio ou outro metal forte que terá uma aba para fixação, conforme mostra a figura 10.

 

   Figura 10 – Detalhes da base
Figura 10 – Detalhes da base

 

As varetas do plano-terra tanto podem ser de alumínio (varetas de antena de TV), como de pedaços de fio grosso de cobre rígido sem capa (in 12AWG, por exemplo).

O conector para o cabo coaxial será fixado no meio desta base.

Na falta da antena telescópica para vareta também podemos usar um pedaço de fio rígido.

 

ACOPLAMENTO

Quando um pequeno transmissor possui uma saída com filtro em pi já calculada para ter uma impedância de 50 Ω ou 75 Ω, sua ligação à antena pode ser feita diretamente por meio de conector com cabo coaxial, como sugere a figura 11.

 

Figura 11 – Ligação ao transmissor com filtro PI
Figura 11 – Ligação ao transmissor com filtro PI

 

No entanto, a maioria dos pequenos transmissores experimentais não possui este tipo de saída para a antena.

Estes.transmissores retiram o sinal do próprio coletor do transistor ou de uma derivação da bobina para aplicá-lo numa antena vertical comum que não tem a impedância conhecida.

Para acoplar este tipo de transmissor a uma antena pIano-terra com o máximo rendimento, é preciso realizar um cálculo para se utilizar uma bobina secundária sobre a osciladora que leve o sinal à antena com a impedância apropriada.

Na figura 12 temos um meio simples de se fazer o acoplamento, em que a bobina L2 tem entre 2 e 3 espiras de fio 18AWG sobre L1 e o trimmer de 2-20 pF permite ajustar o sistema para máximo rendimento.

 

   Figura 12- Acoplamento simples
Figura 12- Acoplamento simples

 

Com este circuito, para levar a antena ao máximo rendimento, basta ajustar o trimmer para termos a maior indicação em um medidor de intensidade de campo colocado nas proximidades.

Na figura13 damos um circuito simples que permite usar o multímetro na escala mais baixa de tensões contínuas como medidor de intensidade de campo.

 

   Figura 13 – Usando o multímetro como medidor de intensidade de campo
Figura 13 – Usando o multímetro como medidor de intensidade de campo

 

A antena do medidor é um pedaço de fio rígido de 40 cm e ele deve ser posicionado a uns 60 ou 70 cm da antena transmissora para se obter uma boa leitura.

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