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SISTEMAS IRRADIANTES AM, ONDAS MÉDIAS

RÁDIO DIGITAL
SISTEMAS IRRADIANTES AM, ONDAS MÉDIAS
UMA VISÃO ATUALIZADA SOBRE TORRES, CAIXAS DE SINTONIA E TRANSMISSORES.
Por Rolf Sandmeier

Os artigos publicados em revistas de radiodifusão, geralmente tratavam do assunto de maneira superficial por restrição de espaço ou então expunham tratados destinados à reservada elite de especialistas, de maneira pouco acessível a maioria dos interessados que trabalham no dia-a-dia das estações AM.
Tentei conciliar esses dois extremos apresentando fatos objetivos, resultantes de estudos e observações feitas durante anos de atividades práticas e intercâmbios de informações com fabricantes de transmissores e colegas no Brasil e no exterior.

Antena: Transmissão analógica ou digital?
Os sistemas irradiantes serão denominados “SI” neste artigo.
Não existem diferenças fundamentais entre SIs para transmissão analógica ou digital.
Em geral, um bom SI poderá ser melhorado para transmissão analógica e compatibilizado para digital por reajustes ou modificações em seus elementos.

Transmissores de estado sólido: Fábrica X Mundo Real
O advento dos transmissores de estado sólido trouxe economia considerável de energia, porém, exige um melhor desempenho dos SIs, notadamente nos picos de modulação e freqüências altas de áudio.
Encontrei inúmeros casos de desentendimentos entre fabricantes e radiodifusores, cujas reclamações dos radiodifusores, em sua maioria, apontavam transmissores saindo do ar, desarmando e, às vezes, queimando transistores de saída, enquanto os fabricantes sustentavam que o aparelho saíra perfeito da fábrica, com laudo de ensaio.
Excluindo os problemas de energia, encontramos dois tipos de problemas no “mundo real” da estação:
• A impedância medida na saída do transmissor era diferente de 50 j 0 Ohms;
• A impedância era perfeitamente conforme, porém problemas surgiam quando modulava.
A carga usada para teste na fábrica é linear em freqüência, podendo ser usada em qualquer freqüência da banda de rádio.
O SI da estação é bem diferente. Sintonizado na freqüência da emissora, ele é seletivo e sua banda passante é função da qualidade do sistema.
Um SI com resposta aguda nas bandas laterais provocará estes problemas e será incompatível com uso de transmissores modernos e menos ainda com digital.

Sistema irradiante: Definição
O SI mais em uso onidirecional é constituído por:
• Torre de transmissão e plano terra (radiais), ambos formando a antena;
• Transformador de impedância (caixa de sintonia);
• Linha de transmissão (cabo coaxial);
• Filtro de saída (tanque final) do transmissor. No estado atual da tecnologia, este deve ser considerado no projeto do SI por razões explicadas mais adiante.

Conceitos de banda passante, bandas laterais (BL) em AM
Para simplificar, consideramos uma emissora operando em 1000kHz, 1kW, modulada por programa de áudio com freqüência máxima de 7500Hz, índice de modulação 100%.
A faixa ocupada (espectro) se estende 7,5 kHz abaixo e acima da portadora de 1000 kHz.
A potência será de 1000W de portadora somada as duas BLs de 250W cada uma, perfazendo um total de 1500W.
Vemos que a informação útil – o áudio do programa – está com potência de 500W distribuída nas duas bandas laterais, fora da freqüência portadora. Como seu nome indica, essa última tem como única função veicular o áudio até o receptor, onde será demodulada e as BLs convertidas em freqüências de áudio.
Se a portadora for fraca, a emissora não chegará longe, mas o áudio será bom.
Com a portadora forte, o sinal chegará longe, mas o áudio será fraco, coberto de ruído com a distância aumentada.

Ajuste do diplexador com monopolo dobrado.

Uma boa parte dos SIs foi sintonizada na freqüência portadora, sem medições do comportamento nas BLs. Os fatores que influenciam a eficiência e a qualidade de modulação são os seguintes:

Torre irradiante
Largura da estrutura: É considerado um mínimo de 60cm. Se a torre for de seção menor, por exemplo 30 cm, mas mecanicamente estável, uma saia de cabos laterais poderá produzir bons resultados, como foi comprovado tecnicamente.
Fórmula para calcular o comprimento de onda da torre:
Altura (m) x Freqüência (kHz) / 300.000.
Altura da torre: Alturas entre 0,23 e 0,36 Lambdas (comprimentos de onda) darão teoricamente bons resultados. Para torres entre 0,20 e 0,23 a adoção de monopolo dobrado poderá melhorar sensivelmente o SI. Estes dados estão calculados, discrepâncias poderão aparecer localmente.
O monopolo dobrado não é uma panacéia. Não se deve usar acima de 0,36 Lambdas, pois perderá eficiência de irradiação e abaixo de 0,18 Lambdas produzirá reatância (+ – J) elevada. Nesses casos, o mérito dele será de aumentar a resistência (R) no ponto de alimentação, diminuindo a corrente de saída da caixa de sintonia.
De qualquer modo, antenas curtas são problemáticas e a equalização das BLs envolve circuitos filtros de correção de reatância, em função da freqüência com altíssimas voltagens reativas, acima de 20kV para 5kW, por exemplo.
O monopolo dobrado oferece a possibilidade de sustentação de outras antenas de comunicação sem isocoplador, um aterramento mais direto e a vantagem de poder escolher a impedância melhor com uso de “stub” (curto circuito) de sintonia.

Linha de transmissão
O cabo coaxial deverá ser intacto, sem curvas de raio menor que o determinado pelo fabricante. Um amassado terá influência nefasta na simetria das bandas laterais, como veremos a seguir.

Caixa de sintonia
Nos tempos atuais, este equipamento reúne duas funções:
• Adaptar a impedância da antena para aquela da linha de transmissão e da saída do transmissor;
• Produzir um determinado defasamento, com o objetivo de melhorar o ponto de funcionamento do amplificador final RF do transmissor nas BLs, como veremos agora:

As bandas laterais: Requisitos para analógico e digital
Num SI, as BLs inferiores e superiores à freqüência portadora se propagam de maneira diferente da portadora e diferente de uma BL para outra.
Isto porque o circuito sintonizado para a portadora provocará atrasos e adiantamento de fase nas BLs. Traduzindo: a impedância na portadora sendo de 50 j 0 Ohms, ou outra impedância normalizada do SI, incluindo a saída do amplificador RF, as laterais terão impedâncias diferentes daquelas.
A fonte de geração do sinal RF não está no conector de saída do transmissor, mas bem na saída do amplificador final RF, explicando assim que uma boa sintonia de BL na saída do transmissor pode não ser tão boa tal como “vista” pelos transistores do estágio final RF.
Em efeito, entre o amplificador e o conector de saída existe o filtro de saída, ou tanque final, que tem um atraso de fase inerente ao projeto do aparelho. Se este atraso for de 180° corresponderá exatamente, se for algum múltiplo de 90° corresponderá também, porém a polaridade das reatâncias serão inversas num sistema simétrico, isto, de acordo com os fabricantes consultados, não terá efeitos nefastos.
Agora, sabemos que o tanque de saída faz parte do sistema irradiante, no que tange a simetria das BLs, como “vistas” pelos transistores do transmissor.

O que é simetria das bandas laterias?
É uma relação das impedâncias nas BLs, tendo como referência a impedância na portadora.
A impedância numa BL deverá ter a resistência (R) igual a outra BL, ambas podendo estar acima ou abaixo da R da portadora.
A reatância (J) numa BL deverá ser de igual valor, mas com polaridade inversa (+ ou – J).
Esta inversão é uma conseqüência natural da diferença de fase entre as BLs no SI.
Exemplo: 48 + j 5 e 48 – j 5 ; 52 – j 8 e 52 + j 8 são simétricas. Já 53 + j 4 e 48 – j 8 não estão simétricas. Tudo isto supondo que a portadora esteja com 50 j 0 Ohms.
Esta simetria é obtida pelo cálculo exato de rotação de fase ao longo do SI, e os subseqüentes ajustes.
A onda refletida (ROE) deverá ser tão baixa quanto possível. São dois fatores que compõem a ROE num determinado ponto:
• Resistência, (R): Deverá estar mais próximo possível da R do sistema, por exemplo 50 Ohms, no caso do cabo coaxial.
• Reatância (J), deverá ser mais próximo possível de zero, em todos os casos.

Quais os requisitos para um bom SI analógico e digital?
• Apresentar simetria de BLs ao amplificador RF do transmissor;
• Ter uma onda refletida (ROE) dentro dos seguintes limites, partindo da portadora a 1,0.
Analógico: ROE máxima de 1,2, 10kHz abaixo e acima da portadora.
Digital (IBOC):
ROE max: +- 5 kHz: 1,11
+- 10kHz: 1,25
+- 15kHz: 1,40
+- 20kHz: 1,55

Transmissores compatíveis para digital
Hoje existem dois tipos básicos de transmissores em estado sólido:
• Modulação digital (step modulation), patenteado;
• Modulação polifásica PWM.
Ambos tipos de transmissores são compatíveis com digital, mediante alterações ou ajustes, dependendo de cada caso.
Os transmissores que possuem controle de sintonia no painel serão mais “flexíveis”. Uma vez conectados ao sistema, têm recursos internos que adaptam a fase ao SI, dentro de certos limites.
Os transmissores que não possuem sintonia externa deverão ser conectados ao SI após este rigorosamente alinhado, de acordo com os princípios aqui expostos.
Não sendo “flexíveis” possuem, porém, uma vantagem compensatória: sabemos exatamente onde estamos com a simetria, usando os dados fornecidos pelo fabricante.

O que é carta de SMITH?
É um gráfico usado em análise de circuitos de rádio freqüência. No caso do SI, mostrará a qualidade do sistema, tal como medido ao final dos ajustes, e será um documento comprobatório da execução de sintonia do SI, de maior utilidade e que deverá ser conservado na estação para referência no caso de intervenções ulteriores, ajustes ou consertos de SI danificada por raios, notadamente.


Monopolo dobrado duplo, em diplex
para duas estações.

Considerações finais
O sistema irradiante, com todos os seus elementos, constitui uma corrente cuja qualidade não pode ser superior ao elo mais fraco.
Não adianta erguer uma torre de 1m de lado, instalar monopolo dobrado, se a caixa de sintonia não for devidamente projetada para o SI em questão e o sistema ajustado para tirar proveito de uma torre com melhores condições, nem comprar o melhor transmissor do mundo para deparar ele com cabo amassado, erros de fase no sistema, radiais defeituosos.
Espero que este modesto artigo tenha lhe dado a oportunidade de se familiarizar com as novas técnicas e lhe ajude nos passos a tomar para poder melhorar o seu sistema com eficiência e custo moderado.

O Autor – Rolf Sandmeier é consultor projetista em sistemas irradiantes AM/FM.
sistemasradio.hd@gmail.com