duplexadores para repetidoras

Dividirei o artigo em duas partes. Na primeira explicarei os detalhes que envolvem o funcionamento e operação de um duplexador. Na segunda parte, veremos como ajustar um duplexador sem os caríssimos equipamentos que normalmente são necessários para essa tarefa.

Qualquer dúvida, sugestão, crítica ou informação a ser acrescentada sobre esse assunto será bem vinda. Essas informações ficarão disponíveis online para que outros colegas no futuro possam se beneficiar delas.

Isolação

O ítem mais importante em uma repetidora é a isolação. Todo o resto é secundário. Isolação significa impedir que o sinal do transmissor da repetidora ou qualquer outro nas proximidades alcance o receptor, degradando seu desempenho. A repetidora não terá bom desempenho se o transmissor "desensibilizar" o receptor.  Desensibilizar significa reduzir a sensibilidade por causa de ruído ou sobrecarga de RF nos amplificadores de entrada do receptor.

Por que não usar duas antenas?

O método mais barato e normalmente menos eficiente de se conseguir a isolação necessária é a utilização de duas antenas. Isolação entre duas antenas é um problema complexo e grandemente influenciado por inúmeros fatores. Alguns deles são: separação das freqüências utilizadas; largura de banda do sinal; quanto de potência e ruído o transmissor utilizado gera; a qualidade dos filtros do receptor e de quanto de degradação o mantenedor vai achar aceitável no sinal de recepção.

Não é raro, para a separações de 600kHz utilizadas no VHF de radioamador, a isolação ter que estar entre 80 e 100dB. Já nas repetidoras comerciais elas podem ser bem menores, pois normalmente utilizam uma separação de 4.6MHz.
Outro fator complicador nessa configuração é o tipo da antena utilizada e a distância física entre elas. Essas antenas devem ter baixo ângulo de irradiação e praticamente nenhum lóbulo de potência acima do plano vertical, o que desclassifica as antenas mais populares (plano terra, 3x5/8 vertical, etc). Essa isolação também pode ser influenciada pela presença de outras antenas na mesma torre, bem como estruturas metálicas e transmissores operando nas proximidades. Esses fatores podem mudar com o tempo e ser totalmente fora do controle do mantenedor da repetidora. Uma simples mudança na posição

de uma antena que compartilhe a mesma torre poderá degradar o desempenho da repetidora.

Em alguns casos, separar duas antenas na mesma torre pode ser uma tarefa impossível, uma vez que a separação desejável é vertical e não horizontal. Pode-se conseguir uma isolação satisfatória com 7 metros de separação na vertical (VHF) e nenhuma isolação com 30 metros horizontais. A figura abaixo mostra como deve ser a isolação vertical (A). A antena de recepção deve ser sempre a mais alta na torre. A separação horizontal (B) deve ser evitada, uma vez que a distância necessária entre as duas antenas pode ser da ordem de dezenas de metros, o que torna essa opção impraticável. A isolação horizontal só é considerada quando se tem antenas separadas por grande distância, ligadas por um sistema de link em uma banda diferente de operação.

Uma maneira de se minimizar os efeitos da desensibilização é manter a potência do transmissor a um mínimo necessário. Uma repetidora operando com 1 ou 2W pode não chegar muito longe, mas ser muito útil localmente. Já essa mesma repetidora poderá se tornar inútil se tiver sua potência aumentada para 25W, por exemplo. Ela poderá ser ouvida a grande distância, mas o que adianta isso se quem a escuta não pode ser ouvido por ela?

Um exemplo clássico de desensibilização é quando um sinal fraco alcança a repetidora, mas quando o transmissor dela entra no ar ele desaparece. E em seguida o transmissor da repetidora cai, pois o sinal não é mais ouvido em sua entrada. Mas o transmissor caindo, faz com que o sinal seja ouvido novamente, fazendo o transmissor voltar a transmitir e interferindo novamente no sinal de entrada numa ciranda sem fim. Isso vai durar pelo tempo que o sinal fraco ficar no ar. Todos já devem ter presenciado uma repetidora operando dessa forma. Isso deixa qualquer um louco, pois imagine que cada vez que ela entra e sai o bipe de cortesia é transmitido. Resultado: bip, chua, bip, chua, bip, etc.

Uma maneira de se confirmar o problema é desligar o transmissor da repetidora durante a transmissão do sinal fraco. Se ele aparece quando o trasmissor está desligado e desaparece quando é ligado, a desensibilização está confirmada.

Dica: Se sua controladora não tiver um botão para interromper a transmissão para esse importante teste, providencie a instalação de um. Basta instalar um interruptor que quando apertado interrompa o sinal de PTT que vai da controladora para o transmissor.

Um fator importante na isolação é a utilização de cabos coaxiais de boa qualidade, de preferência do tipo Cellflex. Eles são protegidos por uma blindagem sólida, sem os furos que as malhas dos cabos mais   

simples apresentam, e dessa forma garantem mais isolação contra vazamentos.

Cobertura de recepção e transmissão diferentes

Outro fator a ser levado em consideração é que operando com duas antenas teremos uma cobertura diferente entre a recepção e a transmissão.

Na figura acima, o circulo verde representa a área de cobertura da antena do receptor e o vermelho do transmissor. Uma estação A, estando dentro da área de cobertura do receptor, poderia facilmente acionar a repetidora, mas não teria uma boa recepção dela. Já uma estação B poderia ouvir o sinal da repetidora, mas não conseguiria chegar com seu sinal até ela.

Muita gente tem perguntado sobre a eficiência de se usar duas antenas, sendo uma delas de cabeça para baixo. E alguns garantem que conseguiram resolver o problema da desensibilização dessa forma. Pode até resolver o problema, pois os lóbulos de transmissão delas estarão em direção oposta e portanto com menor chance de interferência. Mas a não ser que você queira se comunicar com o centro da terra, nem perca tempo com essa configuração.

Duplexador

O duplexador é um dispositivo que permite ligar um transmissor e um receptor em uma mesma antena. Eletricamente ele é um dispositivo composto de estreitos filtros ressonantes que isolam a transmissão da recepção. Ele permite que ambos operem a mesma antena e ao mesmo tempo sem que a radiofrequência gerada pelo transmissor frite o receptor.

Uma confusão comum entre radioamadores é pensar que um duplexador é a mesma coisa que um diplexador. Esse último é utilizado para ligar a saída de duas antenas, normalmente encontradas em rádios VHF/UHF com saídas separadas, em uma única linha de transmissão (cabo coaxial) e antena. Diplexadores são completamente diferentes e sua construção é muito mais simples que a de um duplexador.

Fluxo do sinal em um duplexador

Na ilustração acima, ambas estações móveis estão sintonizadas na repetidora de VHF 145.370MHz com split de -600kHz. A estação móvel 1 começa a transmitir, como o split é de -600, ela transmite em 144.770MHz. Esse sinal (verde) alcança a antena da repetidora que por sua vez está ligada ao duplexador. Seus filtros permitem que esse sinal alcance apenas o receptor. Nesse mesmo tempo, o sinal de áudio do receptor é enviado ao transmissor que o retransmite em 145.370MHz. O sinal que sai do transmissor passa pelo duplexador que o deixa ir para a antena e alcança o móvel 2, mas impede que ele chegue a entrada do receptor.

Por que usar um duplexador?

Ao contrário da solução de duas antenas, um duplexador quase que sempre é garantia de se conseguir a isolação necessária entre o receptor e transmissor. Com a utilização de apenas uma antena e um cabo, a instalação na torre será muito mais simples, e teremos a garantia de que a área de cobertura da recepção e transmissão será a mesma.

Perda por inserção

Infelizmente nada nesse mundo é de graça, e usar um duplexador na repetidora tem seu preço. Tanto o sinal que sai do transmissor quanto o que chega no receptor sofrerão perdas. Essas perdas, que são expressas em decibéis, tem o nome de perda por inserção. Geralmente a perda por inserção aumenta conforme a separação entre a frequências de transmissão e recepção diminui. Um bom duplexador, como os das marcas Wacom ou Sinclair (importados), podem lhe proporcionar a isolação adequada com uma perda menor que 1 dB. Já os nacionais, por ainda utilizarem projetos antigos e não tão eficientes, tem perdas que podem exceder 1.5 dB.

Para transmissão, perdas por inserção de 1 e 1.5 dB correspondem a uma redução da saída (em Watts) de aproximadamente 20% e 30% respectivamente. Uma repetidora com 50W de potência de saída teria 35W após passar por um duplexador com 1.5 dB de perda. Já na recepção, essas perdas refletem 11% e 16% respectivamente.

Antes de culpar o duplexador

Se mesmo utilizando um bom duplexador (alta isolação e baixa perda) você ainda tiver desensibilização, talvez você tenha vazamento de RF dentro do próprio gabinete da repetidora. É recomendável para VHF, e obrigatório para UHF, que o transmissor e receptor estejam em gabinetes metálicos blindados independentes. As interligações de áudio e controle entre eles devem ser feitas através de capacitores de passagem para evitar vazamento de RF. Essa blindagem também é muito importante no caso de transmissores com nível de ruído muito elevado. Todo transmissor emite, além do sinal desejado, sinais espúrios em várias frequências e com diversas amplitudes. A amplitude desses sinais indesejados depende muito da qualidade do projeto do transmissor.

Existem casos em que o transmissor gera tanto ruído que ele não poderá ser utilizado na transmissão de uma repetidora, pois nem com o duplexador se consegue a isolação necessária.

Comprando um duplexador Novo

Antes de comprar um duplexador, veja atentamente suas especificações. Veja se a isolação prometida está acima dos 80dB, se a perda por inserção não é muito alta e qual a separação de frequência. Para o VHF (2m) a separação deve ser de 600kHz, para o UHF (70cm) deve ser de 5MHz. Duplexadores usados em repetidoras comerciais, que normalmente usam separações de frequências bem maiores, não funcionam para repetidoras de radioamadores.

Veja também o tipo de conector que vem com o duplexador. No caso do UHF, exija conectores N. Embora o conector comum seja chamado de UHF, ele não é recomendável para UHF por causa de suas grandes perdas e baixa isolação em frequências altas.

Na hora de encomendar um duplexador você deverá informar as frequências de entrada (RX) e saída (TX) da repetidora ao fabricante. Tenha em mente que essas frequências devem ser definitivas. Mudar as frequências de operação de um duplexador quase sempre resulta em enviá-lo de volta ao fabricante.

Comprando um duplexador usado

A compra de um duplexador usado exige, além das recomendações acima, outros cuidados que se não forem seguidos poderão resultar num péssimo negócio. É pouco provável, ao encontrar um duplexador à venda, que ele esteja sintonizado exatamente na frequência que vai usar em sua repetidora. Provavelmente ele deverá ser resintonizado. Essa tarefa não é tão difícil se você tiver conhecimento do processo, bem como acesso aos equipamentos necessários. Infelizmente esses equipamentos não estão ao alcance da maioria dos radioamadores, da maioria das oficinas de manutenção de equipamentos de telecomunicações e muitas vezes nem do próprio fabricante do duplexador.

São eles: Monitor de serviço de FM (com gerador de varredura) e um analisador de espectro ou um analisador de rede como o modelo HP 8510 da figura abaixo:

Existem casos em que o transmissor gera tanto ruído que ele não poderá ser utilizado na transmissão de uma repetidora, pois nem com o duplexador se consegue a isolação necessária.

Comprando um duplexador Novo

Antes de comprar um duplexador, veja atentamente suas especificações. Veja se a isolação prometida está acima dos 80dB, se a perda por inserção não é muito alta e qual a separação de frequência. Para o VHF (2m) a separação deve ser de 600kHz, para o UHF (70cm) deve ser de 5MHz. Duplexadores usados em repetidoras comerciais, que normalmente usam separações de frequências bem maiores, não funcionam para repetidoras de radioamadores.

Veja também o tipo de conector que vem com o duplexador. No caso do UHF, exija conectores N. Embora o conector comum seja chamado de UHF, ele não é recomendável para UHF por causa de suas grandes perdas e baixa isolação em frequências altas.

Na hora de encomendar um duplexador você deverá informar as frequências de entrada (RX) e saída (TX) da repetidora ao fabricante. Tenha em mente que essas frequências devem ser definitivas. Mudar as frequências de operação de um duplexador quase sempre resulta em enviá-lo de volta ao fabricante.

Comprando um duplexador usado

A compra de um duplexador usado exige, além das recomendações acima, outros cuidados que se não forem seguidos poderão resultar num péssimo negócio. É pouco provável, ao encontrar um duplexador à venda, que ele esteja sintonizado exatamente na frequência que vai usar em sua repetidora. Provavelmente ele deverá ser resintonizado. Essa tarefa não é tão difícil se você tiver conhecimento do processo, bem como acesso aos equipamentos necessários. Infelizmente esses equipamentos não estão ao alcance da maioria dos radioamadores, da maioria das oficinas de manutenção de equipamentos de telecomunicações e muitas vezes nem do próprio fabricante do duplexador.

São eles: Monitor de serviço de FM (com gerador de varredura) e um analisador de espectro ou um analisador de rede como o modelo HP 8510 da figura abaixo:

Analisador de rede HP 8510

Portanto, se você não for um dos felizardos com acesso a esses equipamentos, esse duplexador deverá ser enviado para alguma oficina especializada ou de preferência ao fabricante. Um exemplo: Tomemos um duplexador ajustado para 145.210MHz que deverá ser usado em 147.350MHz. Nesse caso, em que a frequência original do duplexador é muito distante da nova, é possível que apenas a resintonia não seja suficiente, sendo necessárias modificações internas nos circuitos sintonizados. Para esses casos, é mais apropriado que ele seja enviado ao fabricante.

Outro ponto a ser verificado é o cabeamento entre as cavidades. Esses cabos devem ser de ¼ de onda da frequência a ser utilizada e deve ser de dupla malha. Se a nova frequência do duplexador não for próxima da original, é bem provável que os cabos deverão ter seus comprimentos corrigidos.

Na compra do duplexador usado, exija uma garantia do vendedor pelo menos até que você o instale e tenha certeza de seu bom funcionamento.

Duplexadores muito antigos podem estar com problemas em conectores, problemas nos contatos internos, jogo nas varetas de sintonia de frequências, banho de prata descascando e muitos outros problemas. As vezes são tantos os problemas que ficará mais barato comprar um novo que reformar um

Portanto, se você não for um dos felizardos com acesso a esses equipamentos, esse duplexador deverá ser enviado para alguma oficina especializada ou de preferência ao fabricante. Um exemplo: Tomemos um duplexador ajustado para 145.210MHz que deverá ser usado em 147.350MHz. Nesse caso, em que a frequência original do duplexador é muito distante da nova, é possível que apenas a resintonia não seja suficiente, sendo necessárias modificações internas nos circuitos sintonizados. Para esses casos, é mais apropriado que ele seja enviado ao fabricante.

Outro ponto a ser verificado é o cabeamento entre as cavidades. Esses cabos devem ser de ¼ de onda da frequência a ser utilizada e deve ser de dupla malha. Se a nova frequência do duplexador não for próxima da original, é bem provável que os cabos deverão ter seus comprimentos corrigidos.

Na compra do duplexador usado, exija uma garantia do vendedor pelo menos até que você o instale e tenha certeza de seu bom funcionamento.

Duplexadores muito antigos podem estar com problemas em conectores, problemas nos contatos internos, jogo nas varetas de sintonia de frequências, banho de prata descascando e muitos outros problemas. As vezes são tantos os problemas que ficará mais barato comprar um novo que reformar um

Tipos de duplexadores

Basicamente são três tipos distintos usados em radiocomunicação: O passa-banda, o rejeita-banda e a soma dos dois que é o passa-banda/rejeita-banda. Aqui nos só iremos discutir o funcionamento desse último, pois é o mais utilizado nas repetidoras de radioamador. Os modelos mais comuns são os de 4 e 6 cavidades. Os modelos de 4 cavidades normalmente tem menor perda porque o sinal tem que passar por apenas duas cavidades em cada sentido. Já o modelo de 6 cavidades tem uma perda maior porque o sinal passa por 3 cavidades. Via de regra existe uma perda de 0.5 dB em cada cavidade.

Como funciona um duplexador

O duplexador tipo passa-banda/rejeita-banda, como o nome já diz, é composto por um filtro que permite a passagem de um sinal enquanto rejeita a passagem de outro.

Conexões de um duplexador de 4 cavidades

A figura acima mostra que duas cavidades (filtros) são ligadas em serie com a saída do transmissor, enquanto as outras duas são ligadas em série com a entrada do receptor. As duas "metades" são interconectadas por meio de um conector "T", que é ligado ao cabo que vai para a antena.

Cada cavidade tem duas funções. A primeira delas é deixar passar o sinal desejado (banda passante). A segunda é impedir ao máximo a passagem do sinal indesejado (banda rejeitante). Na figura abaixo você vê um gráfico típico de resposta em frequência de um bom duplexador:

Resposta em freqüência de um bom duplexador

Note que praticamente todo sinal da frequência de transmissão (145.370MHz - amarelo) passa pela cavidade, sua atenuação é menor que 1dB. Já na frequência de recepção, 600 kHz abaixo, há um mergulho profundo onde o sinal é atenuado em 90dB. Nesse caso, praticamente qualquer espúrio do transmissor na frequência de recepção (144.770MHz) será eliminado.

A cavidade de recepção funciona do mesmo modo, mas com as frequências invertidas. A banda de passagem é sintonizada em 144.770MHz (vermelho), enquanto que a que a rejeitada é em 145.370 MHz. Nesse caso, todo sinal que chegar pela antena em 144.770MHz chegará ao receptor com uma atenuação mínima. Já o sinal do transmissor em 145.370 MHz será atenuado em 90dB, não chegando praticamente nada dele no receptor.

Mas afinal, como o duplexador consegue a mágica de permitir a transmissão e recepção na mesma antena? Ao contrário do que muitos pensam, a idéia é bem simples. Uma cavidade duplexadora é composta simplesmente por dois circuitos ressonantes cuidadosamente sintonizados. Eletricamente eles são muito simples. Um circuito sintoniza a frequência de passagem, e outro sintoniza a frequência a ser rejeitada. Isso é tudo. Duas ou três cavidades são ligadas em série apenas para se conseguir maior isolação.

A complexidade do duplexador é devido ao projeto mecânico exigido. Para simplificar, vamos analisar apenas uma cavidade, já que todas são iguais. A cavidade é um simples circuito sintonizado como mostra a figura a seguir:

O corpo da cavidade e a vareta de sintonia desempenham o papel do circuito paralelo L1 e C1, que é o circuito de banda passante. O acoplamento da energia de RF na cavidade é feito por L2 e C2, que é o

circuito rejeita banda.

Agora porque precisamos usar uma cavidade enorme quando um circuito com uma bobina e um capacitor variável podem ser bem pequenos? A resposta é a qualidade do circuito sintonizado, que é chamado de "Q". Nossa pequena bobina e capacitor tem um Q baixo demais para funcionar como um duplexador. Eles simplesmente não têm uma sintonia estreita o suficiente. Sua banda passante seria muito larga e o mergulho da banda rejeitante muito raso.

Agora se aumentarmos o diâmetro da bobina, diminuirmos seu número de voltas e aumentarmos o valor de C1 de modo que ele continue sintonizando a mesma freqüência, o valor Q aumenta e a sintonia ficará mais estreita. Seguindo esse raciocínio, chegaremos a uma bobina com um comprimento de ¼ de onda, e o capacitor é substituído por um grande tubo de metal (cavidade). Quanto maior a vareta de sintonia e maior a cavidade, maior o Q. Veja na figura a seguir como ficaria nosso circuito depois dessa transformação.

Representação física de uma cavidade

Nosso circuito sintonizado se tornou uma cavidade de 65cm de altura por 20cm de diâmetro. A vareta de sintonia da banda passante passa a ser um tubo de cobre de quase 10cm de diâmetro, que pode variar em comprimento de 45cm a 59cm. Variando esse comprimento estaremos ajustando a freqüência da banda passante. Nosso circuito rejeita-banda, que era composto pelo L2 e C2, passa a ser um loop de acoplamento (L2) e a sintonia da banda rejeitante (C2), um dielétrico que corre em volta de uma vareta de cobre. O ajuste dessa vareta sintoniza a freqüência a ser rejeitada.

O corpo da cavidade pode ser de cobre, alumínio ou latão. Todos eles irão funcionar bem. O importante é que as partes de cima e de baixo devem ser bem vedadas e ter um bom contato. Depois disso todas as peças internas, inclusive o tubo de cobre,  devem receber banho de prata. Esse banho é muito importante. Esses materiais por si só têm perdas muito altas em VHF. O tubo de cobre móvel se oxida e faz com que o contato com a parte fixa seja pior ainda. Isso resulta em uma cavidade quase impossível de se sintonizar. O banho de prata realmente faz diferença. Lembre-se que qualquer melhora resultará em menor perda, portanto mais eficiência do sistema.

Outro problema é a estabilidade a mudanças de temperatura. Se o duplexador ficar num local onde a temperatura não é controlada, os materiais poderão se expandir ou contrair, mudando levemente o ponto de sintonia do sistema. Duplexadores de boa qualidade utilizam uma liga chamada INVAR no lugar o tudo de cobre da sintonia da banda passante. Essa liga, caríssima por sinal, compensa essas variações mantendo a perfeita sintonia mesmo com mudanças de temperatura.

Interconexões entre as cavidades

Analisador de rede HP 8510

  
Analisador de rede HP 8510