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segunda-feira, 22 de janeiro de 2018

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domingo, 21 de janeiro de 2018

Duplexador cavidades

Fluxo do sinal em um duplexador

  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 



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 antigo.

Calma! Não se desespere ainda. Claro que existem radioamadores com conhecimentos e técnicas mais acessíveis que também poderão resolver o problema sem esses equipamentos caríssimos. Mas via de regra não é fácil achar um desses gurus. Na segunda parte deste artigo veremos técnicas de sintonia com equipamentos que quase todos nós radioamadores temos acesso, mas isso será por conta e risco do leitor.

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:


Circuito equivalente de uma cavidade

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

Outro fator importante é o acoplamento de RF entre as cavidades. Esse acoplamento deve ser feito com cabos coaxiais de ¼ de onda. Um duplexador usado em repetidora comercial da faixa alta do VHF muito provavelmente deverá ter seus cabos substituídos por cabos mais longos para operar na faixa dos 2m. Esse é um dos motivos que podem fazer com que um duplexador não apresente a isolação desejada. Se for o caso, entre em contato com o fabricante para se informar melhor.

Outro detalhe importante é que todos os cabos utilizados nas interconexões devem ser de dupla malha e com 100% de cobertura. Ele não precisa ser um Cellflex, pois poderia ser muito difícil manuseá-lo, mas deve ser de boa qualidade. Um dos recomendados é RG-214.

Outro ponto crítico são os conectores. Muitos dos misteriosos problemas com ruídos na transmissão de uma repetidora são causados por conectores oxidados ou soltos. Uma verificação e limpeza periódica são essenciais para seu bom funcionamento.

Se você for comprar um novo duplexador escolha conectores N banhados a prata. Eles valem o custo adicional, pois nunca ouvi falar de mau contato em conectores desse tipo.