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.