REVISÃO E ADAPTAÇÃO DA ANTENA DO CT1MF - “MAIS FININHO”

Recentemente em conversa com o CT1EA, o colega Macário descreveu-me uma antena que à uns anos atrás terá gozado de muito sucesso junto dos radioamadores que operavam em VHF.
Esta antena a que o Macário se referia como a antena do “mais fininho”, era descrita como de fácil execução e com ganho. Estes dois predicados despertaram-me interesse imediato, uma vez que andava à procura de um projecto para executar uma antena para o colega Macário, porque a que ele possuía não lhe permitia trabalhar com segurança em VHF. Há já muito tempo que utilizava uma antena da banda do cidadão, uma “passo em frente”, a qual estaria seguramente no cimo do telhado á mais de 20 anos, e que ele fazia funcionar em VHF utilizando um sintonizador de antena. Dada a sua incapacidade visual e a sua avançada idade (80 anos), o CT1EA já não tem as capacidades de outrora, altura em que se destacou como técnico de electrónica, e que, então pela sua idade, podia facilmente subir e descer de qualquer telhado.
Tendo-me disponibilizado para a construção e respectiva montagem de uma antena de VHF, esta parecia reunir as características adequadas.
Na vasta colecção de apontamentos que o CT1EA possui, foi possível encontrar uma cópia da antena descrita pelo colega Graça Ferreira, o CT1MF (ex CR7MA), encontrando-se esta cópia devidamente rubricada pelo autor .

Figura 1 – Antena original de CT1MF

Pela análise do esquema, verifica-se que esta antena é composta por um elemento superior, com um comprimento físico correspondente a meia onda, separado através de uma bobine do elemento inferior, cujo comprimento corresponde a três quartos de onda. A alimentação é feita, segundo o autor, na extremidade inferior ligando o vivo do cabo coaxial ao elemento de três quartos de onda, e a malha a um elemento montado em paralelo e cujo comprimento corresponde a um quarto de onda. Na descrição feita pelo autor, o ajuste da antena seria efectuado afastando a extremidade superior do elemento de quarto de onda relativamente ao elemento maior.
Por certo muitos amadores que construíram esta antena, seguindo religiosamente as indicações do autor, obtiveram resultados satisfatórios. O colega Macário construiu várias antenas destas (as quais ofereceu a outros tantos radioamadores) e afirma que alcançou sempre bons resultados.

Tal como tinha prometido ao colega Macário, iniciei a construção da antena reproduzindo o projecto do CT1MF. Finalizada a construção, tendo seguido as medidas, e as indicações escritas, faltava efectuar a comprovação do seu funcionamento. Para tal, antes de a ligar ao meu emissor de VHF, o velho Icom IC-240, liguei o analisador de antenas – MFJ 269. A leitura obtida em 145,500 MHz indicava uma Relação de Onda Estacionária (ROE) de 1:3 evidenciando uma forte componente reactiva na impedância complexa (Rs=80 e Xs=120 Ohm).
Actuando como estava descrito, fui afastando a parte superior do elemento de ajuste. Este procedimento permitiu baixar a ROE, sem que no entanto tivesse conseguido obter um valor inferior a 1:2, mantendo-se de igual modo uma componente reactiva bastante elevada (Rs=70 e Xs=80 Ohm).
Os resultados obtidos, não se afiguravam satisfatórios, pelo que decidi analisar com maior rigor o projecto.

A antena do “mais fininho”, na realidade, corresponde a uma antena colinear, onde as correntes em cada um dos troços de meia onda são colocadas em fase pela bobine que se encontra no elemento de separação. Esta bobine é composta por dois enrolamentos em série, com 14 espiras cada, e bobinados em sentido contrário a partir do centro. Este elemento comporta-se como um transformador de um quarto de onda, cujo efeito, conforme já referido, é o de colocar em fase as correntes que circulam nos dois elementos de meia onda (o superior e o inferior). Nesta condição os campos radiados por cada elemento de meia onda adicionam-se vectorialmente, reforçando o campo total. Teoricamente numa antena com dois elementos de meia onda colineares (isto é: que estão na mesma linha), o campo radiado será reforçado em +3 dB. Na sua essência, o funcionamento destas antenas encontra-se descrito no Handbook ou no ARRL Antena Book, aconselhando-se a sua consulta a quem pretender informações mais pormenorizadas.
Como qualquer antena de meia onda alimentada na extremidade, o elemento inferior apresenta uma impedância elevada requerendo uma adaptação adequada quando se trata de lhe ligar uma linha de baixa impedância, como é o caso de um cabo coaxial de 50 Ohm.
É sabido que a impedância ao longo de um stub com um quarto de onda, ressonante na frequência de interesse, varia desde zero na extremidade curto circuitada até um valor de alta impedância na extremidade aberta. Perante este facto, parecia óbvio que a antena deveria ser terminada com um stub ressonante com um quarto de onda curto circuitado na extremidade, ao contrário de ser terminada com um troço de linha de quarto de onda (aberta) em cuja extremidade era ligado o cabo coaxial.
Assim, com base nesta análise, curto circuitou-se a extremidade onde originalmente era feita a alimentação da antena, e procurou-se o ponto de melhor adaptação para o emissor. Isto é conseguido por tentativas, fazendo tomadas ao longo do stub. No caso presente, este ponto foi encontrado a cerca de 5 cm da extremidade curto circuitada (este valor pode variar dependendo das características do stub).

Figura 2 – Esquema da antena do CT1MF modificada.

O ajuste foi facilitado com a utilização, uma vez mais, do analisador de antenas onde foi possível visualizar a impedância no ponto de alimentação, de Rs=52 e Xs=3 Ohm, a que correspondia uma ROE de 1:1,0. Depois de ajustada verificou-se que a antena possui uma banda passante de 5 MHz, obtendo-se uma ROE de 1:2 nas frequências de 148 MHz e 143 MHz. Para quem pretenda modificar a antena que já possua, ou que eventualmente venha a construir, e que não tenha disponível um analisador de antenas poderá fazer o ajuste com um simples medidor de estacionárias, devendo utilizar uma potência baixa para prevenir qualquer dano no emissor.
A construção do stub não é crítica, ou seja, poder-se-á utilizar um tubo com um diâmetro diferente do elemento da antena, bem como um espaçamento que pode variar entre 25 mm e 50 mm. No caso em análise, o elemento da antena é composto por um tubo de alumínio de 13 mm de diâmetro, e o elemento menor é um tubo de latão prateado, com 6 mm de diâmetro, que foi colocado a uma distância de aproximadamente 30 mm, para o que se utilizaram três espaçadores em Pexiglas (vidro acrílico). Estas características dimensionais vão, obviamente, determinar a impedância característica da linha de transmissão que constitui o stub, mas esta pode tomar qualquer valor que não altera o seu funcionamento.

Figura 3 – Imagem do stub

Nota: recentemente, utilizando uma antena da banda I da televisão (canal 3) que já estava fora de serviço, foi construída uma cópia da antena na qual se utilizou para o stub um dos “trombones” do dipolo. A antena original era feita em tubo de alumínio com 12 mm de diâmetro, estando os tubos que constituem o trombone afastados 45 mm. Neste caso, o ponto de alimentação onde foi possível obter uma ROE de 1:1,1 encontrava-se afastado 16 cm da sua extremidade.

Efectuados os ajustes, faltava fazer a “prova de fogo”, para o que se ligou a antena através de um cabo RG58 ao emissor, e experimentou-se accionar o repetidor da Serra da Estrela. Efectuada a chamada, respondeu o colega Jorge (CT1ASM) reportando que se estava a chegar ao repetidor com compreensibilidade total, embora acompanhado de um ligeiro sopro. Em face do reportado, aumentou-se 10 dB na potência de saída do emissor. Inicialmente, a potência de emissão era de 100 mW (0,1 W) passando então para uma potência de 1 W (a regulação de potência no IC-240 faz-se de forma muito simples actuando na resistência variável do circuito de protecção de saída do emissor, pelo que normalmente tenho o equipamento sem a tampa superior colocada, para rapidamente aceder a esta resistência). Aumentada a potência para 1 W (todavia fiel à filosofia QRP), o colega Jorge reportou então que já não se fazia notar nenhum sopro. Os resultados então obtidos afiguravam-se bastante promissores, tendo em conta que a antena estava montada ainda provisoriamente na corda da roupa, no terraço ao lado da garagem/shack/oficina.

Figura 4 – Ajuste final do ponto de alimentação no stub (Rs=52 e Xs=3 Ohm – 145.52MHz)

Terminada a fase de testes e afinações, a antena foi colocada dentro de um tubo de PVC, e estava então pronta para levar a casa do Macário e lá ser definitivamente montada.
Dadas as características de radiação omnidireccional das antenas verticais, e o baixo ângulo de radiação vertical associado às antenas colineares, a antena permite activar os repetidores à volta de Coimbra (Serra da Estrela, Serra dos Candeeiros, Brenha, Serra da Cota, Trevim, e Arestal), correspondendo às expectativas do colega Macário. No entanto, deve ser tido em conta que os resultados obtidos dependem, como é óbvio, da localização geográfica e da orografia do terreno onde a antena venha a ser colocada.
Pela descrição efectuada e com as ilustrações apresentadas, será possível reproduzir a antena com as alterações agora efectuadas. Terminarei dizendo apenas que o projecto apresentado não constitui um original, representando apenas um up-grade de uma antena anteriormente apresentada, e divulgada, pelo colega Graça Ferreira, o CT1MF

CONSTRUÇÃO CASEIRA DE EQUIPAMENTOS QRP - IV: um medidor de nanoWatt

Este artigo, mais um enquadrado na senda das construções de amador, é dedicado à construção de um medidor de potência para a gama de -70 dBm a +10 dBm. Trata-se de um equipamento indispensável na bancada de qualquer amador com interesse na construção de equipamentos, ou simplesmente para a verificação e o ajuste de antenas.

Actualmente os utilizadores da Internet têm acesso a um conjunto infindável de informações, e foi exactamente durante uma pesquisa no site de um fabricante de circuitos integrados, a Analog Devices, que encontrei à alguns meses um circuito que de imediato me despertou o interesse e que me viria a possibilitar a medição de níveis de potência, tão baixos quanto 100 pW (100 picoWatt!!!).
Trata-se de um amplificador logarítmico, com uma gama dinâmica de 92 dB e que segundo o fabricante possibilita a amplificação de sinais desde DC a 500 MHz, com a particularidade de possuir uma saída em tensão linear, proporcional à variação do sinal de entrada em dB. Dado o seu baixo consumo, pode ser alimentado com uma pilha de 9V o que lhe confere uma enorme portabilidade, característica que é muito apreciada ao utilizá-lo como medidor de intensidade de campo.
No site do fabricante, http://analog.com, encontra-se à disposição um ficheiro pdf, que contém todas as características do circuito integrado AD8307, e onde é possível também encontrar alguns exemplos de aplicação deste dispositivo.

Figura 1- Constituição interna do AD8307.

Figura 2- Ligações básicas para a utilização do amplificador

Figura 3- Resposta logarítmica a 10MHz, 100MHz e a 500MHz

As características anunciadas pelo fabricante mostram uma diminuição da sensibilidade e de redução da gama de linearidade nas frequências mais elevadas, possuindo mesmo assim características adequadas à sua utilização em UHF.
Com base nas informações disponibilizadas pelo fabricante, efectuou-se a montagem do circuito mostrado no diagrama da figura 4.

Figura 4- Circuito do medidor de potência

Como se constata o circuito, de uma extrema simplicidade, deverá ser montado numa placa de circuito impresso e colocado dentro de uma caixa metálica para se garantir uma boa blindagem. A resistência R1, de 50 Ohm, deve ser uma resistência de carvão (não deve ser bobinada) e montada directamente nos terminais da ficha BNC de entrada. Também a ligação entre a ficha e o condensador C1 de entrada deve ser a mais curta possível. No caso do protótipo montado, a placa de circuito impresso solda directamente à ficha BNC para minimizar o comprimento das ligações.
Na impossibilidade de obter um choque do tipo VK200, este pode ser substituído por um pequeno troço de fairrite, por exemplo um núcleo de ajuste de uma bobine, sobre a qual se devem bobinar 3 ou 4 espiras de fio esmaltado de 0,3mm a 0,4mm de diâmetro.
Não sei se será possível adquirir no mercado nacional o AD8307, no entanto fica a informação de que na firma RS Amidata, cujo site da secção portuguesa é http://www.rs-portugal.com, este componente custa 25,49 Euros, valor ao qual acresce o custo de envio. Este componente pode ainda ser adquirido a “custo zero”, através do site do fabricante, bastando para isso preencher um formulário de registo e efectuar o pedido através da net. Depois de efectuado o pedido, passados 4 a 5 dias, terão a surpresa de receber na caixa do correio o componente, que será enviado sem qualquer encargo.


Calibração da escala do medidor:

Terminada a construção, montou-se todo o circuito numa caixa de alumínio. Resta finalmente proceder à calibração da escala e do medidor.
Para a construção da escala, foi utilizado o programa Meter, o qual se encontra disponível na Internet, no endereço http://tonnesoftware.com/, e que podendo ser descarregado permite um número limitado de utilizações gratuitas. Posteriormente, quem tiver interesse poderá obter a licença, bastando para tal fazer o pagamento on-line.
O programa permitiu fazer uma escala, com uma graduação entre -80 dBm a +20 dBm, como se mostra na figura 5.

Figura 5- Escala do medidor de potência graduada em dBm

A calibração do medidor efectuou-se de forma muito simples. Confiando nas declarações do fabricante, e admitindo uma característica de saída linear, efectuou-se a calibração para um único ponto. Neste caso para uma frequência de 100 MHz e para um sinal de +10 dBm.
Quem tiver a sorte de possuir um gerador de sinal com uma saída calibrada, terá a tarefa simplificada, caso contrário poderá seguir o procedimento que seguidamente se descreve.

Usando um osciloscópio cuja banda de trabalho vá até aos 120 MHz, ou mais se possível, aplica-se um sinal não modulado de 100 MHz, ajustando-se a amplitude de forma a obter uma leitura de 2 Vpico a pico no ecrã do osciloscópio. A esta amplitude corresponde uma potência de 10 mW, a qual é dissipada sobre a resistência de 50 Ohm da entrada. Esta potência corresponde a 10 dBm, cujo valor pode ser verificado pela seguinte fórmula:

(nota: nos valores expressos em dBm a unidade de referência para a potência é 1 mW)

Nesta condição bastará ajustar o potenciómetro de 100 K e fazer coincidir a agulha do galvanómetro sobre o traço com a indicação 10 dBm.
Pode-se fazer a confirmação de que a uma tensão com uma amplitude de 2 Vpico a pico, aplicada sobre uma resistência de 50 Ohm, corresponde efectivamente uma potência eficaz, P, de 10 mW (0,01W):

A exactidão final do equipamento dependerá como é óbvio da melhor precisão com que se efectuar a calibração da escala. No entanto não percamos de vista que este equipamento se destina a amadores e para além disso o que nos interessa, na maior parte das situações, é obter medidas relativas (a escala dBm, tal como é definida, é por natureza uma escala relativa).

Figura 6- Vista do medidor depois de finalizado

Terminada a construção do medidor, descrevem-se seguidamente de forma não exaustiva, algumas montagens onde se ilustra a sua utilização.
Uma das muitas possibilidades de utilização foi já anteriormente exemplificada e corresponde à determinação da banda passante de um LPF.


Calibração do S meter de um receptor:

Os medidores de intensidade de sinal incorporados nos receptores de onda curta, são ajustados de forma a fazerem corresponder um nível S igual a 9 quando se aplica uma tensão de 50 uV (50x10-6 Volt) na antena. Por exemplo no manual do FT101 da YAESU vem referido que o ajuste se fará com o nível de 50 uV na frequência de 14.200 kHz. No caso de receptores para frequências superiores a 30 MHz (VHF e UHF) o valor de tensão deverá ser de 5 uV para se obter a mesma indicação de 9 unidades S.
Na figura 7 exemplifica-se a montagem possível para a calibração do S meter de um receptor de HF.

Figura 7- Calibração do S meter de um receptor de HF

O valor de -73 dBm, ao qual corresponde um valor de tensão eficaz de 50 uV/50 Ohm, está abaixo da gama dinâmica do medidor de potência, daí que se tenha optado por ajustar na saída do gerador o valor de -53 dBm, e utilizando um atenuador de 20 dB consegue-se o nível pretendido.

Determinação do ganho de um amplificador de sinal:

Figura 8- Determinação do ganho de um amplificador

A determinação do ganho, por exemplo, de um amplificador de frequência intermédia de um receptor pode ser efectuada simplesmente com o uso deste simples medidor. Neste caso o ganho é determinado pela diferença entre o nível de potência medido na entrada e o nível de potência medido na saída.


Medição da intensidade de campo radiado por uma antena:

Figura 9- Medição da intensidade de campo próximo de uma antena

O medidor tem sensibilidade suficiente para fazer medições correspondentes à intensidade do campo radiado, na proximidade de uma antena, pelo que se torna num equipamento auxiliar na construção e afinação de antenas de HF, VHF e UHF.

Conforme foi apresentado, este medidor é de muita utilidade seja para a construção, reparação, afinação dos nossos equipamentos, ou mesmo de antenas, e sendo de construção tão simples estou seguro que será construído, e mesmo melhorado, por muitos dos colegas com interesse nestas matérias.

CONSTRUÇÃO CASEIRA DE EQUIPAMENTOS QRP -III: Filtros LPF. (Março 2007)

Este terceiro artigo, dedicado também à construção caseira de equipamentos, inicia-se com uma breve descrição sobre sistemas de filtros passa baixo (Low Pass Filter - LPF), descrevendo algumas das suas características. Apresentam-se alguns princípios de cálculo e finaliza-se com a construção e a verificação do funcionamento de um deste filtros.

A utilização e a ocupação do espectro radioeléctrico, cada vez mais preenchido e disputado, torna imprescindível a utilização de filtros na saída dos amplificadores de RF, para garantir a pureza do espectro. Esta preocupação é tida em conta nos equipamentos de amador uma vez que os equipamentos de HF, na sua maioria, utilizam amplificadores transistorizados, de banda larga. Assim os equipamentos de fábrica, ou mesmos os de construção caseira, incluem sempre um conjunto de filtros LPF entre o andar amplificador e a antena, cuja finalidade é a de garantir que o nível de emissão dos harmónicos se mantém abaixo dos valores regulamentares (cfr. n.º11 da Portaria n.º322/95, de 17 de Abril), para não contaminar o espectro mas também assegurar que as nossas transmissões não interfiram com outros serviços de comunicação.
Os vários andares que compõe um emissor produzem frequências harmónicas, que se relacionam com a frequência fundamental, e que chegadas ao andar final do amplificador de RF são também amplificadas. Sendo estes amplificadores de banda larga (amplificam sinais entre 1,8MHz e 30MHz) os harmónicos podem chegar com amplitude relativamente elevada à antena.
Com o objectivo de os atenuar, utilizam-se basicamente três tipos de filtros: Butterworth, Chebychev e Caver-Chebychev (também denominados filtros Elípticos).
Destes filtros, a tipologia mais utilizada, é a que corresponde aos filtros Chebychev, os quais possuem grandes pendentes de atenuação e consequentemente grande capacidade de atenuação dos harmónicos, possuindo como principais características: a impedância, a banda de passagem (pass band) e a banda de corte (stop band).
A impedância de entrada, e de saída, do filtro é normalmente de 50 ohm, podendo no entanto ser projectada para qualquer outro valor.
A banda de passagem corresponde à gama de frequências dentro da qual toda a energia entregue à entrada do filtro é enviada para a sua saída, sem sofrer atenuação.
Para finalizar, a banda de corte compreende uma gama de frequências dentro da qual o sinal sofre atenuação. O ponto onde ocorre a transição entre a banda de passagem e a banda de corte é denominado por ponto de cut-off, sendo a partir deste que se verifica o aumento da atenuação com o aumento da frequência (característica de um LPF).

Figura 1- Célula básica de filtragem com três elementos.

A atenuação na banda de corte é determinada pelo número de ordem (nº de elementos) do filtro, sendo a atenuação tanto maior quanto maior for o seu número.
Num filtro ideal, toda a energia entregue na entrada, e que nos interessa passar para a saída, não deveria sofrer qualquer atenuação. Na prática tal não acontece, e as perdas que se verificam dentro da banda de passagem, devido à inserção do filtro, dependem do seu número de ordem, pelo que não é usual a utilização de filtros com mais de sete elementos.
Dentro da banda de corte, o filtro deveria possuir um patamar plano ao qual corresponderia uma atenuação constante (idealmente nula). Verifica-se que estes filtros possuem uma ondulação nesta banda, denominada na literatura anglo-saxónica de ripple. Esta característica condiciona também a pendente de atenuação na banda de corte, sendo esta tanto maior quanto maior for também o ripple, o qual toma habitualmente os valores 0,01 dB, 0,1 dB e 0,5 dB.
A energia que é aplicada ao filtro, dá origem ao aparecimento de uma relação de onda estacionária (ROE) devido à tensão que é reflectida pela sua saída. Nestas condições, os valores de ROE dentro da banda passante são relativamente baixos, inferiores a 1:1,5, verificando-se que na zona de corte a ROE toma valores muitíssimo mais elevados .
É muita a literatura que apresenta sobre a forma de tabelas os valores a utilizar em função do número de elementos, da frequência cut-off, do ripple e da ROE (VSWR), como é o caso, exemplo, dos Handbook da A.R.R.L. Numa consulta destas tabelas numa edição de 1990, encontram-se tabelas para filtros Chebychev de 5 e 7 elementos, que indicam os valores dos condensadores e das bobines, para a construção de filtros entre 1 e 10MHz, com uma impedância de 50 ohm. O escalonamento para a década 10-100MHz faz-se simplesmente dividindo os valores dos componentes por 10.

Aplicação práctica:

Para a construção actualmente em curso, um tranceptor de SSB para a banda dos 17m, o LPF a colocar à saída do amplificador de potência deverá possuir um cut-off em 18,7 MHz (a frequência de interesse mais elevada é de 18,168 MHz).
O dimensionamento para a frequência de 18,7 MHz efectua-se dividindo por 10 os valores dos condensadores e das bobinas apresentados, para uma frequência o mais próxima possível de 1,87 MHz.

C1, C5-130 pF ; C3-270 pF; L2, L4- 0,557uH


Simulação da resposta em frequência do filtro:

Utilizando os valores calculados, e introduzindo os seus valores no programa RFSim99, que se encontra disponível na Internet, obtêm-se os seguintes resultados.

Figura 2- Definição dos elementos que constituem o LPF de 5 elementos.

Figura 3- Curva de resposta em frequência do LPF


Construção das bobinas L2 e L4:

A construção das duas bobinas foi feita utilizando formas toroidais T37-6. Para se obter a indutância requerida de 0,557 uH utiliza-se a expressão

onde N é o número de espiras a bobinar, L é a indutância requerida e L10 é a indutância que se obtém com um enrolamento de 10 espiras. Neste caso, pela consulta das características indicadas pelo fabricante da forma toroidal (Amidon), o valor de L10 é de 0,30 uH. A aplicação da expressão anterior indica-nos que para a obtenção de uma indutância de 0,557 uH são necessárias 14 espiras. Para o enrolamento das bobinas foi utilizado um fio SWG. 22, o mais grosso que foi possível acomodar na forma, para garantir o melhor factor de qualidade, Q. A verificação e o ajuste final da indutância foram feitos utilizando o MFJ269.

Figura 4- Ajuste das indutâncias utilizadas no filtro


Para a obtenção do valor dos condensadores C1 e C5 utilizaram-se, os valores de 120pF+12pF de cuja associação resulta um condensador equivalente de 132pF, suficientemente próximo do valor pretendido de 130pF. Para o valor de C3 foi utilizado um condensador de 270pF.


Testes:

Terminada a construção do filtro, procedeu-se à verificação do seu funcionamento. Uma vez mais o MFJ 269 mostrou ser um auxiliar precioso. Registaram-se os níveis de sinal à entrada e os correspondentes níveis à saída do filtro para uma vasta gama de frequências.
As medições de nível foram efectuadas com um wattímetro (de construção caseira) graduado entre -70dBm e +10dBm, que num próximo artigo será aqui descrito com todos os pormenores relativos à sua construção. Para aqueles radioamadores que também se dedicam às construções, e ainda não possuem um equipamento com uma gama de medição tão baixa, este medidor será um equipamento indispensável, em qualquer bancada, para o ajuste de receptores, emissores, filtros e pode ainda funcionar como medidor de intensidade de campo, auxiliar indispensável na construção e afinação de antenas.

Figura 5- Sistema de leitura para verificação da banda passante do LPF

As leituras efectuadas entre 1,8 MHz e 50 MHz, permitiram traçar a curva de resposta em frequência que se apresenta na figura 6. A curva de atenuação mostra que a 36 MHz a atenuação é de 40 dB (a amplitude do segundo harmónico é atenuada 10.000 vezes).

Figura 6- Curva real de resposta em frequência do LPF

Com um filtro de 7 elementos a atenuação seria superior, no entanto como as potências em jogo são relativamente baixas (operação QRP), optou-se por um filtro de 5 elementos cujo protótipo testado se mostra na figura 7.

Figura 7- Protótipo do LPF testado

O circuito depois de testado será montado numa placa de circuito impresso, e o circuito fará parte do transceptor monobanda, cujos andares se irão descrevendo ao longo de próximos artigos.

CONSTRUÇÃO CASEIRA DE EQUIPAMENTOS QRP -II: adaptação de um amplificador linear da banda do cidadão para operação na banda de 80m (Março 2007)

No artigo anterior publicado no nº 302 na revista QSP do mês de Agosto, descrevi a construção de um transceptor de QRP que opera na banda dos 80m, 40m e 20m. Este modo de operação apesar de ser muito aliciante, é muitas vezes dificultado pelas condições de propagação que dificulta, ou mesmo inviabiliza, os QSO’s nocturnos que se estabelecem de forma mais ou menos regular na banda dos 80m e onde é possível encontrar muitos radioamadores CT’s que, de forma religiosa, aí comparecem diariamente.
As dificuldades que por vezes os interlocutores experimentam quando estabelecem contacto com as estações QRP, nomeadamente em contactos mais prolongados, tornam necessário (em certas situações) o reforço do ganho dos sistemas emissores de forma a tornar mais cómoda a recepção dos sinais. Tendo este facto presente decidi-me pela aquisição de um pequeno amplificador o qual, depois de algumas modificações, cumpre na integra o objectivo proposto.
O amplificador adquirido é comercializado para operar na banda de CB nos modos de AM/FM e SSB com uma potência de 60W.

Figura 1- Vista exterior do amplificador adquirido (dimensões:12 x 4 x 12 cm).

Este amplificador vem equipado com um transístor SD1446. O circuito de entrada compreende uma malha adaptadora com uma configuração passa baixo em L (condensador à massa e bobina ligada à base do transístor). O circuito de saída compreende também uma malha de adaptação de impedância em L (bobina ligada ao colector e condensador na outra extremidade ligado à massa). De acordo com os dados do fabricante do transístor debita uma potência de saída de 70W com um ganho de 10dB na frequência de 50MHz, alimentado com 12,5V.
Depois de feito o levantamento do circuito, rapidamente verifiquei que o transístor amplificador trabalhava polarizado em classe C, não só nos modos de AM/FM mas também em SSB (polarização inadequada).
O circuito de comutação do relé de antena (emissão/recepção) é efectuado através da rectificação do sinal de excitação do amplificador (sinal RF de entrada). O comutador AM/FM e SSB apenas selecciona uma capacidade de valor mais elevado modificando a constante de tempo da célula de filtragem, permitindo, assim, manter o relé atracado entre a dicção das sílabas proferidas pela voz do operador.
Após a análise efectuada, comecei a delinear as modificações necessárias para converter o amplificador para a banda de 80m. Seria, pois, necessário modificar as malhas de adaptação de impedância de entrada e de saída (redimensioná-las para a frequência de 3,7 MHz) e, também, alterar o circuito de polarização do transístor para possibilitar a correcta operação em SSB.


Malhas de adaptação de entrada e saída:

Consultadas as folhas de características do fabricante do transístor de potência, verifica-se que elas contêm as informações das impedâncias complexas, de entrada e de saída, para as frequências compreendidas entre 30MHz e 90MHz, muito acima da gama de frequências da banda dos 80m. No entanto, e pelo facto de desconhecer outros dados, optei por considerar as impedâncias complexas de entrada e de saída correspondentes à frequência de 30MHz para uma tensão entre colector e emissor (VCE) de 12,5V, respectivamente, 0,8 + j 1,3 ohm e 1,2 + j 0,9 ohm. Os valores considerados serão muito diferentes dos valores das impedâncias reais a 3,7 MHz mas na prática o circuito, depois de modificado, funciona relativamente bem.
O redimensionamento das malhas de adaptação de impedância foi então efectuado para a impedância de 50 + j0 ohm, na frequência de 3,7MHz. Nos Handbook editados recentemente pela ARRL, e também nos Radio Communication Handbook da RSGB, podemos encontrar exemplificados todos os procedimentos matemáticos que permitem o cálculo das malhas de adaptação.
Para quem está menos familiarizado com a notação complexa de impedâncias, 50 + j 0 ohm representa uma impedância cuja parte real corresponde a uma resistência de 50 ohm, e a parte imaginária a uma reactância nula, 0 Ohm, ou seja estamos neste caso perante uma resistência pura.
Em http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Research/RF/projects/60GHz/matching/ImpMatch.html encontrarão uma ferramenta de cálculo que de forma muito rápida e expedita permite calcular 16 malhas de adaptação de impedância distintas.

Figura 2- Malhas adaptadoras de impedância para a entrada e saída do amplificador

Para a bobina de entrada utilizei uma forma toroidal T50-6, e para a saída uma T68-2 com o número de espiras adequado para a obtenção das indutâncias desejadas. Os dados construtivos para essas bobinas podem ser encontrados com muita facilidade nos sites de alguns clubes dedicados à construção QRP ou em qualquer Handbook.
Na malha de entrada utilizei condensadores cerâmicos, e na malha de saída condensadores de mica do tipo dos utilizados nos antigos emissores a válvulas (a estes condensadores farei nova referência mais adiante) e também um condensador ajustável por compressão.

Figura 3- Vista geral do interior do amplificador de potência depois das modificações


Circuito de polarização do transístor:

Por questões de eficiência os amplificadores de potência, que operam com sinais de SSB, trabalham em classe AB que permite garantir já uma linearidade adequada (para maior pureza do sinal, idealmente, operariam em classe A). Com esse propósito construí, numa pequena placa de epóxy, um circuito de polarização para a base do transístor de potência. O circuito utiliza um transístor BC108 e um BD139, e através de uma pequena resistência ajustável é possível variar a tensão de polarização da base do SD1446 num valor entre 0,65V e 0,8V. A caixa do transístor BC108 é colocada em contacto com a caixa cerâmica do transístor de potência (SD1446) por forma a que a corrente de base diminua com o aumento da temperatura, contribuindo assim para contrariar alguma tendência de embalamento térmico.

Figura 4- Circuito de polarização do transístor de potência.


Testes e ajustes:

Depois de efectuadas as alterações e as modificações anteriormente referidas, e antes de ligar o emissor QRP ao amplificador, verifiquei a impedância do circuito de entrada. Para tal utilizei a ponte de impedâncias MFJ 269 a qual se tem mostrado uma ferramenta de muitíssima utilidade para o ajuste e calibração de alguns equipamentos que tenho construído.
O procedimento que de seguida passo a descrever é muito simples sendo no entanto necessário tomar algumas precauções como seja, desligar a alimentação do amplificador. Este procedimento consiste em ligar a ponte de impedância à entrada do amplificador e por alteração do numero de espiras da bobina do circuito de entrada e, eventualmente, também com a modificação dos valores das capacidades de entrada, procurar obter a leitura de 50 + j 0 ohm no mostrador da ponte de impedâncias. Para simular a impedância dinâmica da junção base-emissor do transístor coloquei uma resistência de 1,5 ohm entre a base e a massa do circuito.

Figura 5- Ajuste das malhas adaptadoras de impedância de entrada e de saída do amplificador

Após os ajustes consegui uma impedância com um valor próximo do pretendido, obtendo uma relação de onda estacionária (R.O.E.) baixa que permite ligar directamente a saída do emissor à entrada do amplificador. Na frequência de 3,7MHz o valor de R.O.E. conseguido foi de 1:1,5 com uma banda passante de ±150KHz.
Para simular a impedância dinâmica do circuito de saída coloquei também uma resistência de 1,5 ohm entre o colector e a massa, e ajustei da mesma forma para obter também uma leitura próxima de 50 + j 0 ohm.
Ajustadas as malhas de adaptação de impedância, passei de seguida ao ajuste do circuito de polarização. Este ajuste consiste simplesmente em rodar o comando da resistência ajustável, partindo da posição mínima, e ir monitorizando a corrente de repouso do transístor para que esta não ultrapasse 90 mA, limitando assim a potência dissipada em repouso. Na prática não se mostrou necessário aumentar esta corrente uma vez que com este valor, não se conseguia detectar a ocorrência de distorção devida a crossover.

Figura 6- Visualização do sinal de saída correspondente à entrada de um sinal de dois tons.

Inicialmente o amplificador mostrava alguma instabilidade devido ao elevado ganho que possuía. Tenhamos presentes que temos em mãos um transístor de VHF com um ganho de 10 dB a 50MHz o que, teoricamente, considerando uma pendente no ganho de 6 dB/oitava, permite extrapolar para 34 dB de ganho a 3MHz.
Com o objectivo de aumentar a estabilidade do amplificador, diminuindo assim a tendência para a auto-oscilação, introduzi uma malha de realimentação negativa, a qual consiste simplesmente numa malha RC série colocada entre o colector e a base do transístor. A introdução desta malha de realimentação permite, também, o aumento da banda passante do amplificador, o que neste caso não tem relevância uma vez que se trata de um amplificador monobanda. Com as alterações introduzidas, o amplificador consegue debitar uma potência de 30W com uma excitação de 1W ao que corresponde um ganho de 15 dB em potência. Na figura 6 é possível avaliar a qualidade do sinal de saída, não se visualizando nenhuma forma de distorção.
Os condensadores da malha de adaptação do circuito de saída são de mica, do tipo referido anteriormente. Inicialmente utilizei condensadores cerâmicos do tipo corrente (espalmados) mas verifiquei que após alguns instantes de funcionamento eles aqueciam muitíssimo devido ao valor das correntes de RF. Após a sua substituição pelos de mica deixou de ser perceptível qualquer aquecimento.

Após todas as modificações e ajustes efectuadas este amplificador tem possibilitado efectuar vários QSO’s nos 80m, sendo bons os sinais reportados pelos vários colegas interlocutores. As alterações efectuadas neste pequeno amplificador, com um custo de aquisição de 50 euros, permitiram atingir os objectivos propostos.Uma vez mais espero que estas breves linhas continuem (ou comecem) a despertar o interesse pela construção de equipamentos. A título pessoal, dar-me-ia grande satisfação começar a ver os grupos, núcleos, clubes ou associações regionais/nacionais de radioamadores, a fomentarem no interior das suas organizações, o interesse pelas montagens de aparelhos e equipamentos, e a surgirem grupos abertos de discussão e de divulgação destas práticas.

CONSTRUÇÃO CASEIRA DE EQUIPAMENTOS QRP: idealização e construção de um transceptor para as bandas de 80m, 40m e 20m. (Julho 2006)

Decorria o ano de 1974 (tinha eu 12 anos) quando me foi dado a conhecer o mundo fascinante da rádio comunicação. Foi para mim (é para mim) um privilégio ter tido a oportunidade de beber dos ensinamentos, e da experiência, dos colegas que já há muitos anos praticavam e experimentavam as técnicas dos equipamentos e das comunicações.
Fui então aguardando ansiosamente o dia em que completaria o meu 16º aniversário, pois, por imposição legal, só nessa altura me poderia submeter à prestação de provas de exame para a obtenção da minha carta de rádio amador, o que só aconteceria no ano de 1978, mas enquanto isso durante esses quatro anos ia exercitando na banda de CB.
Após a aprovação no exame para a classe D (na altura a classe dos iniciados), a obtenção de indicativo próprio só era possível após decorrido um período de 2 anos a operar como 2º operador da estação de um amador já encartado, e o indicativo só poderia ser atribuído se no final desse tempo não existissem infracções nem a participação de queixas. E assim me submeti a um período (de purgatório) durante o qual operei a estação de CT4YI (minha mãe).
Utilizava um FT101 da YAESU apenas com uma válvula 6SJ6 no andar final, uma vez que, na altura, para a classe D a potência de dissipação anódica máxima autorizada era de 30 W (por duas vezes recebi a fiscalização dos serviços radioeléctricos para confirmarem que não excedia a potência legal, velhos tempos !!!). Durante esse tempo utilizei sempre como sistema radiante, nas bandas de HF, uma antena G5RV alimentada com fita paralela, que era muito utilizada nas antenas de televisão, e cuja adaptação era efectuada através de um sintonizador/acoplador de antena construído pelo CT4KV (meu pai). Com essa estação passava largas horas em DX, nas bandas dos 14 MHz e 28 MHz, onde (nesses anos) se trabalhava com grande facilidade as estações VK, ZL e JA, o que para um novato com eu era fascinante (vivia absolutamente em êxtase). Finalmente, decorrido o tempo de purgatório, obtive o indicativo CT1AHM, aquele que detenho actualmente.
Em 1981 as obrigações estudantis obrigaram-me a deslocar para Coimbra e a fazer interregnos mais ou menos prolongados. No entanto, o “bichinho” que todos nós sentimos não me deixavam esquecer este mundo maravilhoso que é o rádio amadorismo.
Ao longo dos últimos anos, e principalmente com a facilidade que a Internet nos trouxe, comecei a ter contacto com o mundo aliciante dos “QRPistas”. Embora, para muitos amadores amantes do QRO pareça ser “marterizante” a recepção de estações que operam com baixas potências, e muitas vezes sejamos desencorajados de operar nesse modo, a verdade é que, felizmente, o incentivo que muitos outros colegas nos dão enchem-nos de prazer, satisfação e coragem para prosseguirmos.
Ao longo de todos estes anos fui idealizando e construindo vários equipamentos de medida, receptores e emissores, obviamente sempre QRP. No final do ano passado, comecei a idealizar e a conceber a construção de um transceptor de SSB, que me possibilitasse a operação nas bandas de 80m, 40m e 20m.
A figura 1 mostra o diagrama de blocos do transceptor. Conceptualmente, possui uma arquitectura em tudo idêntica aos equipamentos de fábrica de há alguns anos atrás.

Figura 1– Diagrama de blocos do transceptor tribanda de SSB.

O receptor:
O sinal de antena é aplicado ao primeiro bloco de filtro passa banda (BPF) e de seguida entregue ao amplificador de banda larga (Broadband), montado numa configuração push-pull e constituído por 4 transistores FET (2SK125), proporcionando um ganho de 10 dB.

Figura 2- Filtros passa banda (BPF) para os 80/40/20m

Os sinais amplificados são entregues ao segundo bloco BPF. Os circuitos BPF foram desenhados (e afinados) para possuírem uma impedância de entrada e saída de 50 Ω. O sinal de RF é então aplicado ao misturador duplamente balanceado (SBL1).
Este misturador recebe a frequência do oscilador local (OL) que trabalha numa frequência 9 MHz acima da frequência dos sinais recebidos na antena. Este oscilador é constituído pelo VFO (5 - 5,5 MHz) e por um misturador (NE602) com três cristais fixos (um por cada banda).

Figura 3- Circuito heterodino do oscilador local (LO).

Relativamente ao VFO o esquema de base foi-me dado pelo colega CT1PL (Rogério) e é um projecto publicado na revista QST (edição americana) à já alguns anos, e desenvolvido por W1FB (Doug DeMaw), considerado por muitos um decano dos radioamadores especialmente pelos QRP, e que infelizmente há poucos anos passou a QRT. Para os que tiverem curiosidade e interesse sugiro uma busca no Google e poderão verificar a quantidade de projectos de sua autoria especialmente nos sites dedicados ao QRP. Com algumas modificações e ajustes efectuados, este VFO depois de construído apresenta um drift de 10Hz/hora (!!!) e a comprovar a sua estabilidade na frequência estão por aí vários colegas que o podem atestar. Neste momento está já em construção um circuito DDS (já testado no transceptor) controlado com um controlador PIC e com leitura digital da frequência para substituição completa do oscilador local, OL.

Figura 4- Vista interior do VFO

A diferença entre o OL e o sinal de antena, obtida na saída do misturador (9 MHZ), é amplificada 6dB por um transístor 2N3866 para compensar a perda intrínseca ao tipo de misturador que foi utilizado, e depois passada pelo filtro de cristal de 6 pólos com uma largura de banda de 2,2 KHz/6dB. A sua saída é aplicada ao amplificador de FI onde utilizei dois MOSFET de dupla porta (BF981).

Figura 5- Cristal 9MHz e FI (vista superior).

Como detector de produto utilizei um segundo SBL1, ao qual se aplica o oscilador de portadora para reconstituir o sinal de áudio que depois é amplificado por um LM386 e entregue ao altifalante.


O emissor:

O sinal do microfone é amplificado por um circuito com dois transístores e aplicado ao modulador balanceado, para o qual utilizei o velho conhecido MC1496. Como esquema de montagem, segui na íntegra um dos que são apresentados nas folhas de dados disponibilizadas pelo fabricante. Este circuito recebe também o oscilador de portadora (9MHz +/-1,5KHz) para produzir as componentes LSB e USB. A trabalhar à frequência de 9MHz este modulador consegue uma atenuação de -55 dB na portadora, considerando uma portadora na entrada com 200mV (valor eficaz).

Figura 6- Modulador balanceado e osciladores de portadora para LSB/USB

O sinal assim produzido é passado pelo filtro de cristal e misturado com o OL, obtendo-se após a mistura o sinal já na frequência que será posteriormente entregue à antena.
A saída do misturador é entregue ao BPF e amplificado por dois estágios, o pré-drive (2N2222) e drive (2N4427) ambos de banda larga e polarizados em classe A, por razões óbvias.
A saída do drive é aplicada ao amplificador de potência (PA) que utiliza uma configuração push-pull com dois transístores 2SC1971.

Uma vez que o PA é do tipo banda larga “Broadband”, o sinal de RF antes de ser enviado para a antena passa por uma bateria de filtros passa baixo (LPF) para atenuar os harmónicos de ordem superior.

Figura 8- Filtros passa baixo (LPF) utilizados entre a saída do PA e a antena.

Todo os circuitos montados em placas de circuito impresso de base epóxy, foram estrategicamente desenhados e montados de forma a caberem dentro de uma caixa de um transceptor CB, gentilmente oferecida pelo CT2GCO (Mesquita) ao qual agradeço publicamente, e que foi aproveitada para a montagem.

Figura 9- Imagem do transceptor 80/40/20m.

Nestes modos de operação, com baixas potências, é absolutamente necessário a utilização de sistemas irradiantes muito eficientes. Actualmente utilizo uma antena de quadro horizontal alimentada a meio de uma aresta com uma linha de 450 Ω (com janelas), a qual vai ligar a um sintonizador/adaptador de impedâncias com entrada balanceada.
Este adaptador (do tipo Z-match) foi construído segundo um artigo publicado por Louis Varney (G5RV) na revista RadCom, em Outubro de 1985 (publicação oficial da RSGB, congénere inglesa da REP). Embora seja do conhecimento o célebre Louis Varney é o autor da famosa (e muito criticada) antena que possibilita a operação multibanda, baptizada com o seu indicativo G5RV, e infelizmente desaparecido à 3 ou 4 anos, tendo este facto sido referenciado nas diversas publicações inglesas e que muito o homenagearam devido aos seus estudos e contribuições em vários estudos e publicações técnicas.

Figura 11- Adaptador (Z-match) de entrada simétrico e saída assimétrica

Este dispositivo permite-me, com uma antena de quadro (horizontal) de uma onda completa na banda de 80m, operar também os 40m e os 20m. O sistema irradiante, principalmente nas bandas de 80m e 40m tem-se mostrado muito eficiente em particular para comunicações dentro de Portugal e em toda a Espanha, dado o elevado ângulo de radiação que a antena possui. A título informativo, têm sido possíveis comunicações em SSB entre Coimbra e todo o território nacional, e também com o norte e o sul de Espanha, com potências compreendidas entre 0,5W e 3W e com sinais, no correspondente, entre 5/9 e 5/9+20dB, contudo, não esqueçamos também a ajuda sempre preciosa da Dona Propagação.
Espero que estas linhas sirvam de motivação para que outros radioamadores, QRPistas ou não, se motivem e apresentem também os seus projectos e as suas construções (sei que os há por aí). Parafraseando um radioamador muito assíduo dos 80m “está por aí algum radioamador escondido atrás do microfone?”.
Numa próxima oportunidade aproveitarei para lhes descrever outros equipamentos, nomeadamente um pequeno amplificador de CB, modificado para trabalhar nos 80m e que com uma excitação de 1W (e por 50 €) é possível obter entre 30 e 40 Watt. Existem também outros projectos já na calha estando para breve um transceptor mono banda para os 18 MHz. Até lá boas montagens e bons QSO’ s, naturalmente em QRP.