O que são circuitos BALANCEADOS e DESBALANCEADOS?

O que são circuitos BALANCEADOS e DESBALANCEADOS?

PORQUE A DIPOLO (alimentada no centro) é BALANCEADA e o cabo coaxial é desbalanceado?

Essa questão é importante para a eficiência de nossa estação tanto em transmissão quanto na   recepção (evitar a captação de ruídos). Abaixo eu faço um resumo dos principais fatos associados a balanceamento/desbalanceamento de circuitos, linhas e antenas. Se você quiser entender as razões é só ler o artigo explicativo que segue, onde eu procuro mostrar com muitas figuras como as coisas acontecem sob o ponto de vista físico e de forma simples. 73!

RESUMO

Normalmente os circuitos são referenciados a um ponto comum, que é a referência da fonte de alimentação (0V), normalmente chamada de terra de sinal. Em grande parte dos casos essa referência de terra é conectada ao terra da instalação elétrica, por sua vez aterrada ao solo por eletrodos de aterramento. Assim é com os nossos rádios, nossos computadores de mesa, computadores de grande porte, sistemas de telecomunicações etc. A linha de transmissão e a antena ligadas ao nosso rádio devidamente aterrado, também ficam referenciadas à terra (solo). 

O balanceamento de circuitos em uma placa refere-se às suas simetrias físicas e elétricas (impedâncias) em relação ao terra (0V) da placa. Resumidamente, os circuitos balanceados nas placas se constituem, em sua grande maioria, em dois circuitos completos (saída e entrada) para cada sinal, que transmitem o mesmo sinal com as polaridades opostas em relação ao terra de referência (0V) da placa. Isso faz com que as interferências induzidas ou conduzidas no ambiente sejam rejeitadas por cancelamento. O preço é um custo maior pelo maior número de componentes e fios, mas é um recurso muito útil e usado na comunicação entre equipamentos diferentes em ambientes sujeitos a ruídos, principalmente os ruídos que aparecem entre os pontos de aterramento destes equipamentos. Conexões USB, HDMI, ethernet etc usam circuitos balanceados.

Já o balanceamento da linha de transmissão e antena refere-se às suas simetrias físicas e elétricas em relação a eles mesmos, ao solo e a outros elementos metálicos próximos. 

Além do campo eletromagnético que propaga o seu sinal para longe, a antena gera campos reativos intensos no seu entorno. E esses campos são captados pelos elementos metálicos neste entorno, incluindo a própria linha de transmissão, podendo gerar correntes sobre estes elementos como se fossem uma outra antena. Aliás, os elementos refletores e diretores de uma Yagi são excitados por estes campos reativos. 

No caso da linha de transmissão, dependendo da sua posição relativa e da simetria em relação à antena, pode se formar uma corrente induzida nesta linha pelos campos da antena (corrente de retorno), que pode chegar à estação (isso pode acontecer tanto em linha aberta quanto em cabo coaxial). Essa corrente também gera os seus próprios campos como se fosse uma segunda antena. Ou seja, com a corrente de retorno, a linha também irradia, podendo alterar de alguma forma o diagrama de radiação da sua antena. Além disso, a corrente de retorno também pode prejudicar o funcionamento do rádio, computadores ou outros equipamentos na vizinhança.

Outro problema que pode acontecer é a linha captar correntes de ruído a partir de fontes de interferência nas suas proximidades, e estas correntes podem chegar na antena injetando ruídos na recepção. 

A redução da corrente de retorno e da captação de ruídos pela linha de transmissão estão diretamente relacionados com o balanceamento entre linha e antena, assim como de outros fatores como as dimensões de todos os cabos presentes na estação, como a própria linha de transmissão, cabo e tipo de aterramento da estação, cabos de alimentação da estação etc. 

Consequentemente, ao se interligar uma linha de transmissão desbalanceada em uma antena balanceada (como a dipolo alimentada no centro) é recomendável o uso de elementos que consigam transferir a energia entre linha e antena de forma a reduzir assimetrias físicas e elétricas ou os seus efeitos. Esses elementos são os baluns (do inglês balance\unbalance). 

Cabe ressaltar que não são todos os casos de dipolo/linha onde a falta de um balun será problemática. Tudo depende do grau de simetria do conjunto antena/linha (a linha de transmissão deve estar perpendicular à antena na sua parte mais próxima), tamanho do cabo, potência transmitida, presença de fontes de ruído próximas do cabo etc. Muitas antenas trabalham sem balun sem maiores problemas. Mas há casos mais graves onde um bom balun poderá fazer a diferença. Mas tente, sempre, manter a linha o mais perpendicular possível à antena e pela maior parte desta linha quanto possível!  

Existem vários tipos de balun, cada qual com suas vantagens e desvantagens. O texto abaixo não se propõe a explicar os baluns, suas vantagens e desvantagens, bem como os cuidados a serem tomados no projeto e construção deles porque esse assunto é muito vasto. O texto explicará o que são os circuitos e elementos balanceados e desbalanceados e a importância deles.

É importante saber que estacionária na linha de transmissão NÃO é causa de retorno de RF ou de captação de ruído pela linha de transmissão. A presença de estacionária na linha de transmissão dependerá apenas da relação entre as impedâncias da antena e da linha, e afeta diretamente a eficiência da estação, mas não gera o retorno de RF. 

Porém o oposto pode acontecer, ou seja, o desbalanceamento do conjunto linha/antena pode influenciar na presença de estacionária, já que altera a impedância apresentada na saída da linha por ser o paralelo da impedância da antena com a impedância apresentada pelo cabo com o retorno de RF. Mas essa influência não costuma ser importante (mas pode acontecer). Normalmente a maior causa de estacionárias é mesmo o descasamento de impedâncias entre antena e linha, significando antena desajustada (ou o desajuste de algum dispositivo auxiliar de acoplamento entre os dois).

Tocar em partes metálicas dos equipamentos da estação e observar alteração na medição da ROE indica a presença de retorno de RF. Isso pode acontecer porque a capacitância do seu corpo altera a distribuição de correntes e tensões de retorno ao longo da linha de transmissão. Com isso, altera-se a impedância total que aparece lá na saída da linha de transmissão, por ser, como já dito, o paralelo da impedância da antena com a impedância apresentada pelo cabo com o retorno de RF. E, com a alteração desta impedância vista pelo cabo, haverá uma alteração na relação de onda estacionária.

Este foi apenas um resumo sobre o assunto. Vale a pena se aprofundar um pouco mais através do artigo abaixo. 

73!

O QUE SÃO OS CIRCUITOS BALANCEADOS E DESBALANCEADOS, e QUAIS AS VANTAGENS E DESVANTAGENS DE CADA UM?

O conceito de balanceamento diz respeito à simetria em relação a uma referência, que normalmente é o terra. Podemos ter circuitos balanceados e desbalanceados. Na figura abaixo observamos um exemplo de circuito desbalanceado, o mais simples, onde temos a transmissão de um sinal entre uma fonte e um receptor (ou carga). Ele dispõe de dois fios, sendo um deles conectado diretamente à referência de 0V. Essa referência normalmente é o terra da placa.

Frequentemente placas e equipamentos que se comunicam têm os seus terras interligados, sendo considerado um “terra comum” aos equipamentos e seus circuitos. Na nossa estação de rádio praticamente todos os equipamentos, incluindo os computadores, têm os terras interligados constituindo um terra comum. E um problema muito comum é a existência de uma possível diferença de potencial entre os terras de dois equipamentos diferentes. É uma diferença de potencial de modo comum.

Isso pode acontecer por vários motivos e é bastante frequente ao se interligar os terras de equipamentos distantes ou em cômodos diferentes de uma casa. Mesmo dentro da mesma estação, correntes de retorno ou antenas muito próximas podem induzir correntes de modo comum nos cabos, produzindo essa diferença de potencial entre os terras de equipamentos diferentes.

Essa diferença de potencial entre terras causa uma corrente ao longo do condutor de retorno (0V). Como esse condutor apresenta uma certa impedância (resistência e, principalmente, indutância), essa corrente gerará uma tensão de ruído que se somará ao sinal transmitido, conforme na figura abaixo. Essa impedância também pode estar no condutor entre uma placa de circuito impresso (PCB) e o conector do cabo de interligação, ou mesmo em trilhas dentro do próprio PCB, se esse for mal projetado.

Já sabemos que, em muitas situações, basta o uso de cabos blindados (incluindo o cabo coaxial) para mitigar o problema, pois a corrente de modo comum tenderá a passar mais pela blindagem do que pelo condutor de 0V. Mas, mesmo usando cabos blindados, a qualidade da blindagem e do projeto e construção dos equipamentos podem não ser suficientes para sinais muito baixos e circuitos muito sensíveis.

Outra forma de reduzir esse problema é usando o famoso toroide de ferrite no cabo de interligação, gerando uma indutância que reduz a corrente de modo comum no condutor de retorno. Se reduzimos essa corrente de retorno do terra, reduzimos a interferência sobre o circuito de comunicação.

Mas nada disso pode ser suficiente em certos casos, principalmente em sinais muito pequenos e circuitos muito sensíveis. Aí entra a grande vantagem do circuito balanceado, com o exemplo apresentado na figura abaixo.

Nesta figura, observa-se que a interligação entre a fonte de sinal e o receptor subdivide-se em dois circuitos idênticos e simétricos em relação ao terra, ao qual são referenciados. Um dos circuitos transmite um sinal com polaridade positiva enquanto o outro transmite o mesmo sinal com a mesma amplitude mas com a polaridade invertida. São saídas diferenciais.

E o receptor é dotado de entradas diferenciais, onde o sinal recebido, no final, é a soma dos sinais em cada entrada após inverter a fase da entrada negativa.

Observação: Neste exemplo observa-se que, para que o sinal transmitido tenha a mesma amplitude do sinal de entrada, cada sinal gerado na saída diferencial terá a metade da amplitude do sinal de entrada. Mas isso não é obrigatório.

E qual a vantagem de uma transmissão com o dobro de circuitos e componentes?

A vantagem é o cancelamento do ruído presente entre os pontos de aterramento do transmissor e do receptor. Uma diferença de potencial de terra (tensão de modo comum) irá gerar uma interferência em cada circuito com a mesma amplitude e mesma polaridade devido à simetria em relação ao terra. Como o receptor tem uma entrada diferencial, ou seja, o sinal de saída é proporcional à diferença dos sinais nas entradas, as interferências serão canceladas por terem a mesma polaridade, o que não acontece no circuito desbalanceado conforme visto acima.

Na figura abaixo observa-se os sinais diferenciais de uma senoide que se deseja transmitir. Sobre estes sinais se sobrepõe a mesma interferência, que será cancelada na entrada diferencial, enquanto a senoide será recuperada. 

Além do caso do cancelamento dos ruídos provocados por diferenças de potencial de terra, o circuito balanceado apresentará o mesmo cancelamento no caso de indução eletromagnética de interferência de modo comum nos condutores de sinal entre o transmissor e o receptor. Se esses condutores forem idênticos e os circuitos balanceados, os sinais interferentes induzidos serão igualmente idênticos (já que é de modo comum) e o cancelamento também se dará na entrada diferencial do receptor.  

Para o circuito balanceado ter uma alta simetria de forma a garantir esse cancelamento de ruídos, ele tem que ter as dimensões, traçados e todas as impedâncias de saída e entrada iguais. O cancelamento das interferências dependerá muito disto.

Uma variante de circuito balanceado encontra-se abaixo, e faz a mesma função dos circuitos diferenciais implementados com circuitos analógicos como os apresentados nas figuras acima.  Porém, a geração de sinais diferenciais, assim como a entrada diferencial do lado receptor são implementados com transformadores, logo só aplicáveis a circuitos de corrente alternada acima de uma frequência mínima, que dependerá das características dos transformadores.

No primeiro transformador, que faz a função da saída diferencial ou balanceada desta figura, observamos que o seu secundário está aterrado no centro do enrolamento. Por isso ele gera os sinais idênticos e com fases invertidas em relação ao terra. Portanto, um sinal diferencial em relação ao terra.  No segundo transformador, com enrolamento aterrado no centro do primário, temos a saída do secundário proporcional ao sinal diferencial no primário.

Este circuito é uma forma de transmitir um sinal desbalanceado em relação ao terra, através de duas linhas eletricamente balanceadas (simétricas) em relação ao terra. O sinal que se deseja transmitir passa normalmente como sinal diferencial como na figura abaixo.

Essa configuração de circuito tem a mesma capacidade de rejeitar os ruídos entre terras ou induzidos igualmente sobre os condutores, conforme representado na figura abaixo. Estes ruídos fluirão pelo primário do transformador de saída em contra-fase, de forma a cancelarem o fluxo resultante e, portanto, o ruído no secundário. O cancelamento do fluxo também acontece no primeiro transformador, de modo que o ruído não se propaga para a fonte de sinal.

E as correntes fluem diretamente para o terra em ambos os transformadores sem sofrerem reatâncias neles justamente por estarem em oposição de fase, anulando o campo magnético no núcleo. Se não há campo magnético, não há reatância indutiva para essas correntes.

Vejam que há uma semelhança com as linhas de transmissão abertas, conforme veremos adiante.

O BALANCEAMENTO NO CASO DA ANTENA DIPOLO E DA LINHA DE TRANSMISSÃO

Mostramos como circuitos balanceados que transmitem sinais entre placas e equipamentos são simétricos em relação ao terra, e a sua vantagem em relação ao acoplamento de interferências sobre a transmissão de sinais.

No que diz respeito às antenas e às linhas de transmissão, podemos dizer que, com base no conceito e critério de simetria, a antena dipolo alimentada no centro e a linha aberta são elementos naturalmente balanceados entre si e em relação ao terra. Veja a figura abaixo.

Linha aberta e dipolo balanceados (conjunto simétrico)

Já o cabo coaxial é uma linha completamente assimétrica e, portanto, desbalanceada conforme podemos verificar na figura abaixo.

dipolo balanceado e cabo coaxial desbalanceado (conjunto assimétrico)

O balanceamento de linha e antena pode alterar o desempenho da antena e até da estação como um todo, dependendo de alguns fatores que veremos a seguir. Assim, analisemos melhor essa questão do balanceamento no nosso conjunto transmissor, linha de transmissão e antena.

A nossa antena tem correntes e tensões estacionárias que geram campos elétricos e magnéticos locais que ficam alternando a energia contida neles. São campos fortes chamados de reativos e que podem ser influenciados por objetos metálicos nas suas vizinhanças, como o solo e estruturas metálicas, incluindo a própria linha de transmissão. Isto porque existem acoplamentos capacitivos e indutivos entre a antena e todos esses elementos, que acabarão por  interferir nos seus campos e, consequentemente, no valor e balanceamento da sua impedância.

Para a antena e sua impedância estarem eletricamente balanceadas com a presença destes elementos metálicos na vizinhança, a distribuição dos campos entre a antena e estes elementos (e o solo) também deve ser idêntica em cada um dos lados, conforme a figura abaixo. Ou seja, a antena deve estar paralela ao solo, e equidistante dos elementos metálicos que, a rigor, deveriam também ser iguais. Além disso, a simetria em relação à linha de transmissão implica em que esta linha esteja perpendicular à dipolo.

Antena, linha de transmissão e elementos metálicos próximos simétricos

Conforme se observa na figura abaixo, toda essa simetria garante que todos os acoplamentos capacitivos e indutivos entre a antena e os elementos metálicos sejam iguais em ambos os lados. Com isso, a impedância apresentada pela antena pode até variar em função da distância da antena ao solo e da distância aos elementos metálicos, mas estará balanceada sem correntes de modo comum na linha de transmissão. A linha conterá apenas a corrente de excitação, em modo diferencial, ou seja, a corrente em um lado da linha é exatamente igual e contrária à corrente no outro lado.

Vale ressaltar que não basta ser uma linha aberta para o conjunto linha/antena estar balanceado. Ela tem que estar perpendicular à antena porque, de outra forma, apresentará acoplamentos capacitivos e indutivos  diferentes com os braços da dipolo, alterando as correntes de excitação na linha de transmissão e alterando os campos da antena e o seu diagrama de radiação.

Na figura abaixo vemos todos os tipos de assimetrias que causam desbalanceamentos do conjunto linha/antena e correntes de modo comum na transmissão.

Já na figura adiante, observa-se que, no caso da linha de transmissão ser um cabo coaxial, o sistema também fica desbalanceado, mesmo estando perpendicular à antena. Os condutores do cabo coaxial não têm a simetria do cabo aberto porque o acoplamento entre os braços da dipolo e a blindagem será completamente diferente do acoplamento com o condutor central, uma vez que esse condutor central fica blindado pela malha externa.

Observação Importante:

Não se desesperem com esse rigor apresentado na figura. Isso é o caso ideal para explicar quando um sistema está rigorosamente balanceado. Na prática, esse rigor é muito difícil nas faixas de HF, e grande parte das construções práticas com algum desbalanceamento são toleráveis porque as consequências são imperceptíveis. Outras vezes, como quando se usa potências maiores e/ou há coincidências infelizes de dimensões da linha e impedâncias de terra, de fato, o nível de desbalanceamento poderá gerar problemas conforme descrito à frente, mas há formas de se compensar dentro de certos limites. Saber o que influencia negativamente, assim como quais medidas procuram mitigar essa situação ajudará o colega a interceder positivamente para tentar resolver algum problema que realmente esteja prejudicando o funcionamento da sua estação para os propósitos esperados.

E qual é a consequência do desbalanceamento do conjunto cabo/antena?

Possível retorno de corrente de RF durante a transmissão:

O desbalanceamento do conjunto cabo/antena pode permitir a injeção de corrente ao longo da blindagem externa do cabo coaxial. Essa corrente gerará campos a partir da linha de transmissão como se fosse outra antena não intencional, interferindo no diagrama de radiação da sua antena intencional que, no caso, é a dipolo. Em grande parte dos casos, felizmente, isso será imperceptível, não alterando o desempenho da estação. Porém, essa corrente na linha também pode chegar até a estação com intensidade suficiente para causar instabilidades ou má qualidade durante a transmissão, instabilidades em computadores, alterações na leitura da estacionária, e mesmo interferências em aparelhos próximos à linha. Vejamos o porquê isso acontece através da figura abaixo com um cabo coaxial.

Durante a transmissão, as correntes que vêm pela linha de transmissão via blindagem e condutor central, ao chegarem na antena, encontrarão condições diferentes de continuar o seu trajeto pela antena. Enquanto o condutor central tem apenas o braço da dipolo a ele ligado, a corrente que segue pela blindagem, ao chegar na dipolo, encontra duas alternativas de caminho: uma pelo braço da dipolo e outro pela parte externa da blindagem.

A figura abaixo mostra as correntes na dipolo ao ser excitada pela linha de transmissão. 

Como pode a corrente que veio pela blindagem voltar por ela?

É porque a corrente que veio pela blindagem desde o transmissor, percorre a parte interna dela atraída pelo potencial do condutor central em relação à blindagem.  Porém, quando a corrente da blindagem atinge a antena, parte dela poderá seguir pelo lado externo da blindagem, atraída pelos campos produzidos pela própria antena. O quanto da corrente total que sai da blindagem do cabo e segue por esse caminho alternativo por fora dela vai depender de duas coisas:

(i)da assimetria da antena em relação ao cabo: o quanto menos perpendicular o cabo estiver em relação à antena, maior é a tendência de injetar corrente por acoplamentos indutivo e capacitivo;

(ii)pela impedância que o cabo impõe a essa corrente externa. Quanto menor a impedância, maior a corrente injetada no caso de assimetrias.

E essa impedância dependerá do comprimento elétrico do cabo, bem como da impedância para o solo na extremidade do lado do transmissor, como a impedância de um aterramento se ele for na estação. Mesmo que não seja francamente aterrado na estação, há o circuito de alimentação que segue pela casa. A própria capacitância para o solo apresentada pelo gabinete metálico do transmissor e outros equipamentos a ele conectados (linear, tuner, PC, fonte alimentação etc) representam um caminho da corrente de retorno para "um terra de RF". De toda a forma, a blindagem do cabo atua como se fosse uma linha de transmissão com retorno pelo solo direta ou indiretamente, apresentando, também, ondas estacionárias na sua corrente de retorno.

Com base nisso, supondo-se que o cabo esteja aterrado em um bom aterramento de RF com baixa impedância (pode ser até um contrapeso sintonizado), se o comprimento do coaxial for de um quarto de comprimento de onda, a impedância no ponto de conexão da antena será alta, reduzindo a corrente de retorno. No entanto, se o comprimento do cabo for de meio comprimento de onda, a impedância que aparece na junção com a antena refletirá a baixa impedância de aterramento, permitindo um retorno de corrente considerável.

E como podemos aumentar essa impedância sem mexer no comprimento do cabo?

Uma possibilidade é através de um toroide de ferrite na figura abaixo. Se a permeabilidade deste toroide for suficientemente alta para impor uma boa reatância indutiva, essa reatância poderá reduzir suficientemente a corrente de retorno.  Mas isso é uma hipótese teórica, pois dificilmente apenas um toroide será suficiente em HF, e os projetos de baluns requerem muita atenção para serem eficientes nestas faixas. 

Nota: Em inglês, essa reatância indutiva que "barra" a corrente é chamada de "choke", que significa "sufocar", "entupir" dentre outros significados, e é expressão muito usada. Não confundir com "choque elétrico"!

Exemplo de balun de corrente feito com núcleos de alta permeabilidade

Outra forma de fazer um indutor de “choke” é com o próprio cabo coaxial. O diâmetro e número de voltas a ser dado no cabo coaxial dependerá da faixa de HF usada. A posição adequada é conforme a figura para evitar a interação entre os campos magnéticos da antena e do balun (indução mútua).

Exemplo de balun de corrente feito com o próprio cabo coaxial

Representação da indutância de “choke de RF”

 

Esses exemplos de baluns são chamados de "baluns de corrente" e, conforme dito, funcionam teoricamente como um indutor que impõe uma impedância a essa corrente que retorna externamente pela blindagem (corrente de modo comum) sem afetar o circuito formado pela corrente do condutor central e da parte interna da blindagem (corrente de modo diferencial). Essas correntes de modo diferencial não geram campos magnéticos externos ao cabo (somente no seu interior), por isso não são afetados pela indutância destes baluns.

Num balun ideal a impedância seria infinita cortando completamente essa corrente. No balun real, dependerá de sua construção. E há casos em que a indutância de um balun (mal projetado) é pequena e, por azar, se combina com uma possível impedância capacitiva, podendo até aumentar a corrente de retorno. 

Há baluns de tensão, como os mostrados na figura seguinte, cujo propósito não é o de impor uma impedância à corrente de retorno (como o balun de corrente), mas sim o de alimentar uma linha de transmissão balanceada com as tensões de excitação também balanceadas em relação a terra. Ou seja, se em um lado temos uma tensão positiva em relação ao terra, o outro apresentará a mesma tensão, mas de polaridade contrária, justamente como nos exemplos de circuitos balanceados mostrados ao longo do artigo. É um balun usado tipicamente entre um transmissor (e receptor) desbalanceado e um conjunto linha/antena balanceado.

Exemplo de balun de tensão com relação de tensão 2:1 e de impedâncias 4:1

Exemplo de balun de tensão onde as relações de tensão e de impedâncias são mantidas 1:1

Os baluns, quer sejam de corrente ou de tensão, podem ser construídos de várias formas, com ou sem núcleos magnéticos (como as ferrites) ou com segmentos de linha de transmissão para a inversão de fase.  Há muitas variedades com vantagens e desvantagens e muitos detalhes construtivos que fogem ao escopo deste texto.

Outra consequência do desbalanceamento do conjunto cabo/antena: Possível captação de ruído na recepção.

Observe a figura abaixo. As interferências induzidas em ambos os condutores de nossa linha balanceada serão idênticas (indução de modo comum) e a diferença de potencial do ruído injetado na antena será zero se todo o conjunto for balanceado. Entende-se, por conjunto, a antena e a linha alimentada por um transmissor (desbalanceado) através de um balun.

Na presença de um desbalanceamento no sistema, como o exemplo da próxima figura com o cabo coaxial, o sinal interferente será induzido apenas ao longo da blindagem já que o condutor interno está blindado pela blindagem externa, conforme o nome já diz.  A malha de um cabo coaxial funciona como um fio grosso de antena, onde correntes serão induzidas por campos eletromagnéticos que incidirem nele. E serão especialmente importantes os campos criados por geradores de interferências que estejam perto deste cabo, porque são os campos reativos!

Como as correntes induzidas na blindagem do cabo atingem apenas um dos braços da dipolo, haverá uma diferença de potencial de interferência injetada na antena, somando-se ao sinal captado por ela.

A solução para esse problema  de captação de ruído pelo cabo coaxial, durante a recepção, será idêntica ao caso do retorno de RF durante a transmissão: Impor uma alta impedância à corrente induzida apenas na blindagem, o que acontecerá com os baluns de corrente já mostrados acima.

E por que a preferência ao cabo coaxial, que tem desvantagem em relação à linha aberta no que diz respeito à captação de ruídos durante a recepção?

É porque a linha aberta não é auto blindada como o cabo coaxial. Isso significa que outros cabos próximos com correntes de ruído que emitem campos magnéticos interferentes poderão induzir tensões de ruído de modo diferencial diretamente entre os condutores da linha aberta que se somarão ao sinal interno que vai ao receptor. É uma injeção direta de ruído sem precisar chegar até a antena para interferir, podendo ser até muito pior a interferência.

Podemos entender como “próximas”, as distâncias menores do que umas dez vezes a distância entre condutores.

Adicionalmente, elementos metálicos “próximos” da linha aberta, inclusive outras linhas, poderão afetar a sua impedância característica. Um exemplo dessa limitação é o fato de que não se deve correr uma linha aberta ao longo e junto da perna metálica de uma torre, ou passá-la por um tubo metálico. Portanto, uma grande vantagem dos cabos coaxiais é a possibilidade de serem agrupados sem problemas, ou posicionados ao longo e junto de longarinas de torres ou dentro de tubos metálicos. Aliás, o tubo metálico (e, às vezes, a longarina da torre) funcionará como uma blindagem bastante desejável se houver interesse em se reduzir a captação de ruídos pelo cabo coaxial. 

É preciso salientar que a existência de estacionária na linha de transmissão não é causa de problemas típicos causados pelo desbalanceamento de linha e antena, como o retorno de RF, alterações de diagrama de radiação da antena ou captação de ruídos. No entanto, o desbalanceamento de linha e antena pode afetar a estacionária em um cabo, já que pode haver retorno de RF, alterando a impedância da antena apresentada na saída da linha.

Às vezes você pode perceber uma pequena alteração da leitura de estacionária ao se tocar em alguma parte metálica de algum equipamento na estação, isso é indicação de corrente de retorno na sua linha de transmissão. Mas, normalmente, a maior causa de estacionárias é mesmo o descasamento de impedâncias entre antena e linha, significando antena desajustada (ou o desajuste de algum dispositivo auxiliar de acoplamento entre os dois).

EXEMPLOS DE ANTENAS TIPICAMENTE DESBALANCEADAS, COM TÉCNICAS PARA REDUÇÃO DO RETORNO DE RF 

As antenas unifilares, as dipolos alimentadas fora do centro como a EFHW (end fed half wave) são exemplos de antenas desbalanceadas que tendem a gerar retorno de RF. Há outras como a própria antena vertical com plano terra. Curioso é o fato da antena vertical com plano terra ser desbalanceada como o cabo coaxial e, mesmo assim, tender a gerar retorno de RF que dependerá, como disse acima, do comprimento elétrico do cabo coaxial e outras características da estação e seu aterramento. A geração do retorno de RF neste caso (antena vertical com plano terra) acontece porque o cabo coaxial com a sua blindagem estarão muito mais perto dos condutores do plano terra, que conduzem correntes, do que do condutor de radiação. Logo é uma condição onde há indução de corrente na malha do coaxial, a menos que o plano terra fosse uma chapa metálica contínua e muito maior do que a parte vertical, blindando os campos da antena para o coaxial. Como isso não acontece, normalmente há retorno de RF. 

O recurso básico para reduzir o retorno de RF em antenas desbalanceadas é a combinação (i)da imposição de reatância à corrente de retorno, o que pode ser feito com o emprego de um ou mais baluns de corrente ("choke" de RF), juntamente com (ii)o aterramento da malha do cabo coaxial  após estes baluns para o desvio à terra da corrente remanescente. 

Se possível, use contrapesos no ponto de aterramento, um para cada faixa de operação, para se obter um "terra de RF" de menor impedância, lembrando que o contrapeso é um fio com um quarto de onda na frequência de operação. Dica: tente localizá-lo acima do terra alguns centímetros (pelo menos uns 10 cm) para reduzir as perdas impostas pelo solo. 

Esses contrapesos funcionarão como braços ressonantes que apresentarão uma baixa impedância de RF neste ponto, da mesma forma como o ponto de alimentação central de uma dipolo de meia onda. E, como tal, eles ajudam a gerar os campos reativos que formam os campos totais da antena, por isso funcionando como um "terra de RF". E essa baixa impedância tende a reduzir o retorno de RF pela blindagem do cabo coaxial.

No desenho abaixo temos uma dipolo com o seu cabo coaxial bem assimétrico em relação ao fio radiante. Isso favorece a indução de correntes de retorno de RF pela blindagem que pode chegar até a estação, causando problemas. 

Dipolo de meia onda fortemente assimétrica e o retorno de RF

Conforme descrito acima, a figura abaixo mostra que se pode reduzir esse retorno com dois baluns de corrente ("chokes" de RF), seguido do aterramento desta blindagem para o desvio da corrente residual que passe pelos baluns. O primeiro balun está junto da alimentação da antena enquanto o segundo dista de 1/4 de onda do primeiro para reduzir ainda mais o retorno de RF. E essa distância entre eles é eficiente porque reduz a possibilidade da indução de uma corrente parasita após o primeiro balun, o que pode acontecer no caso de induções severas devido a grandes assimetrias. Se os baluns distassem meia onda entre si, ocorreria ressonância no trecho de cabo entre os baluns, com a existência de uma corrente  parasita que poderia seguir parcialmente cabo abaixo, além de radiar como uma antena. 

Medidas de redução do retorno de RF

Também observe que o aterramento é com um eletrodo comum enterrado, mas pode ser mais eficientemente feito com um contrapeso ressonante. Se a antena for multibanda, use um contrapeso para cada banda, abrindo entre eles em formato "pé de galinha".

Você pode questionar: Ué, aqui tem dois baluns! Normalmente se coloca apenas um! 

Procuramos mostrar um "remédio" mais eficaz com dois baluns e o aterramento. Tudo depende da intensidade do retorno de RF e do problema causado por ele. Se o retorno de RF incomodar, você pode experimentar esses recursos paulatinamente, começando com um balun no ponto de ligação com a antena até o esquema apresentado, mais completo. E outras coisas podem ser feitas com relação a retorno de RF. Veja a parte de "Perguntas Frequentes sobre Aterramento".

Outro exemplo está na figura abaixo onde temos uma antena unifilar, que usa o solo como contrapeso para a formação dos seus campos. Neste caso, o aterramento pode ser mais eficiente com contrapesos de fios de 1/4 de onda para cada faixa de operação. Neste caso, a baixa impedância apresentada pelo contrapeso na saída do cabo coaxial reduzirá o retorno de RF que, por sua vez, poderá ser ainda mais reduzido com os baluns de corrente. Observe que também foram usados dois baluns de corrente distantes de 1/4 de onda na faixa de operação para uma maior eficiência, conforme o exemplo anterior. Lembre-se que, se usar várias faixas os baluns deverão distar de 1/4 de onda da faixa mais alta.

Este artigo está em evolução, mas espero que já tenha dado uma boa ideia deste conceito de circuitos, linhas e antenas balanceadas, algo bastante importante para a eficiência de nossas estações de rádio.

Fte 73!