Apesar do ruído na recepção entrar pelo conector de antena do seu rádio, nem todo esse ruído foi efetivamente captado diretamente pela
antena. Parte desse ruído (que pode ser considerável) pode chegar a esse
conector de antena de duas formas:
(i) através da captação de ruído por outros fios e cabos na
estação, como a alimentação AC, cabos de aterramento e a malha do próprio cabo
coaxial, ruídos esses conduzidos até lá em cima na antena pelo lado de fora da
malha de um cabo coaxial. Esses ruídos captados pelos fios e cabos da estação são correntes de
modo comum que, lá na conexão com a antena, geram uma tensão de ruído que se
soma a tudo que a antena captou, descendo pela parte interna do cabo coaxial
até o conector de entrada.
(ii) através do vazamento de sinais para dentro do cabo
coaxial e conectores a partir destas correntes de modo comum citadas em (i)
acima, incluindo possível vazamento em elementos inseridos no caminho entre receptor e antena como medidores de estacionária,
acopladores, lineares etc.
Todo esse ruído gerado e acoplado em (i) e (ii) descrito
acima pode ser considerado como ruído captado indiretamente à
recepção e imagina-se que o aterramento de RF, por ser uma referência para onde
se desviam correntes indesejáveis, possa servir como “sumidouro” destas
correntes de ruído de RF, desviando-as da malha do nosso cabo coaxial. Só que o aterramento de RF se diferencia do
aterramento para descargas atmosféricas e para as correntes de fuga ou falha da
rede elétrica, conforma veremos no item seguinte.
2) ATERRAMENTO PARA RF
2.1) Limitações
Esses encaminhamentos são feitos por fios e cabos. Para tanto, há sempre a preocupação com a bitola destes fios e cabos e a resistência das hastes de aterramento para que o conjunto apresente a menor resistência possível para facilitar esse escoamento, buscando a menor diferença de potencial entre pontos da edificação.
Em 50 ou 60 Hz e seus harmônicos, ou mesmo no caso das
descargas atmosféricas cuja energia se concentra do DC até centenas de kilohertz,
o comprimento dos cabos não é uma preocupação tão limitante como veremos no caso de RF.
PORÉM, uma das três funções do aterramento também é auxiliar
no controle de problemas de RF na estação como os causados pelo
retorno de RF na transmissão, e na redução da captação de ruídos indiretos pela
estação (aqueles que não incidem diretamente na antena). E, para isso, é
esperado do aterramento que ele também desvie para um terra de RF
as correntes indesejadas como as de retorno e as de ruído induzido em cabos que
chegam ou saem da estação.
ENTRETANTO, o comportamento dos cabos de aterramento nas
frequências de RF é completamente distinto porque ele se comportará como uma
linha de transmissão em relação ao solo e estruturas vizinhas, portanto sujeito
a reflexões, presença de ondas estacionárias e, consequentemente, enormes
variações da impedância ao longo do cabo de aterramento.
Ou seja, a realização de um aterramento para RF é consideravelmente diferente do
aterramento para o Sistema de Proteção contra as Descargas Atmosféricas ou o
aterramento do sistema de alimentação elétrica das edificações. Para entender
essa diferença, nos referimos à figura abaixo que mostra a situação mais
simples de estação, com rádio, antena com cabo coaxial, alimentação AC e um
aterramento simples diretamente para o solo. Veja no artigo "Perguntas
frequentes sobre Aterramento" que os requisitos de aterramento
de uma estação são mais complexos, mas nesse exemplo simplificamos
propositalmente.
Consideremos que a alimentação carregue um forte ruído de
modo comum captado ao longo do caminho. Esse ruído vindo da alimentação passa
pelo filtro de entrada da fonte do rádio e é desviado para o gabinete metálico
pelo filtro de linha. Lembro que todo bom equipamento tem filtro de
linha na entrada AC!
O ruído segue do gabinete até a antena pela parte de fora da malha do cabo coaxial (sinal de modo comum), onde será injetado nela (antena) para retornar ao receptor internamente (sinal de modo diferencial) na forma de ruído superposto ao ruído naturalmente captado pela antena. Trata-se, portanto, de um ruído captado indiretamente pela alimentação que se soma (desnecessariamente) ao ruído captado direta e inevitavelmente pela antena, piorando a relação sinal/ruído da recepção. Você pode ter uma antena bem simétrica, balanceada, com uma boa relação sinal/ruído na recepção, onde a injeção de ruído de modo comum da malha do cabo coaxial pode prejudicar bastante essa relação sinal/ruído da antena.
Como a impedância de aterramento deve ser baixa para desviar
essas correntes de ruído de RF que vêm pela entrada de alimentação AC, o pensamento geral entre os colegas é se basear
nas mesmas práticas para se obter aterramentos de baixa impedância para 60 Hz
ou para as correntes do raio. Ou seja, a de construir um conjunto de eletrodos
de aterramento que apresente a menor impedância possível com várias hastes de aterramento, tratamento de solo etc, justamente para esse
propósito de absorver essas correntes de RF indesejadas, desconhecendo o comportamento dos cabos de interligação em presença de
frequências muito mais altas (RF).
Vamos supor que se consiga um aterramento perfeito com
impedância zero para RF. Vamos supor,
também, que o cabo de aterramento tenha um comprimento de um quarto de onda da
frequência de trabalho do receptor. Isso significa que, mesmo que o nosso terra
tenha zero ohm de impedância de aterramento nesta frequência, o cabo de
aterramento funcionaria como uma linha de transmissão com ondas estacionárias, refletindo
essa baixíssima impedância do eletrodo de aterramento sob a forma de uma
impedância muito alta junto do gabinete. E isso equivale a dizer que o gabinete
estará desaterrado como se não houvesse a conexão com o terra perfeito! E isso
pode acontecer sempre que o comprimento do cabo for um múltiplo ímpar de um
quarto de comprimento de onda da frequência de operação.
Ou seja, não é garantido se conseguir redução do ruído na recepção em altas frequências (HF) unicamente com um "bom aterramento de RF" com as soluções tradicionais de cabo e haste, pela dificuldade em se conseguir que os cabos de aterramento apresentem baixa impedância nessas altas frequências. Mesmo que, por sorte sua, a impedância de aterramento em RF seja baixa junto do seu transmissor, existem induções diretas na malha do cabo coaxial que serão injetadas na antena independentemente da existência (teórica) de um bom terra de RF. Ou seja, não seria toda a indução de ruídos sobre cabos da estação desviada para um aterramento de RF, mesmo de boa qualidade. Depende da via de entrada do ruído.
Felizmente, há uma série de outros recursos descritos no artigo sobre a redução da captação de ruído pela estação bastante úteis para reduzir substancialmente o acoplamento de ruído à antena a partir dos cabos da estação, como o cabo coaxial, se implementados corretamente e em conjunto.
Descreveremos, a seguir, formas de se ter bons aterramentos de RF localmente, que aumentam as chances de redução de ruído, principalmente se usados em conjunto com as medidas descritas no artigo sobre redução da captação de ruído pela estação, além de ajudar bastante nos problemas de retorno de RF durante a transmissão, principalmente os relacionados às instabilidades de um PC ou outros circuitos digitais.
2.2) E como se conseguir um aterramento de RF?
Uma solução “sintonizada” no nosso caso do desenho acima onde queremos um aterramento de baixa impedância para RF junto ao gabinete do nosso rádio pode ser o emprego de um
contrapeso de um quarto de onda (na frequência do receptor) conectado à ele. Trata-se de um cabo ressonante terminado em aberto (alta
impedância) que refletirá uma baixa impedância junto ao gabinete, desviando
grande parte das correntes de ruído que seguiriam pelo cabo coaxial até a
antena.
E veja uma coisa curiosa no nosso exemplo!! Sabe como você
consegue esse cabo ressonante favorável a nós no nosso exemplo específico onde o cabo de aterramento tem um quarto de onda de comprimento? Desconectando
o cabo de aterramento lá na extremidade onde se liga ao eletrodo de aterramento,
deixando-o em aberto. Isso porque ele continua sendo um cabo ressonante, só que com uma
função inversa porque, ao invés de terminar em uma baixíssima impedância
refletindo uma impedância muito alta, ele termina em uma impedância muito alta
(infinita porque está aberto) refletindo uma impedância muito baixa no lado
conectado ao gabinete. Com isso ele passará a absorver a corrente de ruído,
passando a ser um bom terra de RF, conforme se vê na figura!
PORÉM, percebe-se que essa é uma solução sintonizada, ou seja, que operará um uma pequena faixa de frequências no entorno da frequência de ressonância deste cabo ressonante de aterramento em aberto. Além disso, o contrapeso gerará campos eletromagnéticos localmente.
No caso da solução deste problema específico de ruído na recepção, isso não seria problema, mas esta solução também atuaria positivamente no caso de retorno de RF na transmissão, reduzindo possíveis instabilidades, principalmente na presença de computador interligado ao rádio. Mas, em transmissão, essa solução gera campos eletromagnéticos locais além de apresentar uma tensão na extremidade que poderá ser perigosa. E, no caso de várias faixas de operação, seriam necessários vários contrapesos ou um circuito LC série com um pedaço arbitrário de fio de forma a se poder sintonizar o circuito para que o fio ressone na frequência de operação. É o famoso “sintonizador de terra”! Quanto trabalho!
3) SOLUÇÃO MAIS ADEQUADA PARA O ATERRAMENTO DE RF
A solução mais adequada é se obter uma referência local de
baixa impedância para RF para uma ampla gama de faixas de frequências (portanto
não sintonizada), o que pode ser realizado através de uma superfície metálica junto
dos equipamentos. De preferência uma chapa metálica sobre a qual os
equipamentos são montados. Trata-se do Plano de Referência de Terra de RF
descrita em artigo que recomendamos a sua leitura. Neste artigo eu dou dicas
construtivas e mostro os resultados obtidos na minha estação no caso de problemas durante a transmissão.
A figura abaixo ilustra essa solução onde a superfície
metálica apresenta uma capacitância suficientemente alta para garantir uma
baixa impedância para todas as faixas de HF, independentemente da
impedância da ligação de aterramento da estação! Essa capacitância
absorve as correntes de modo comum que chegam a essa superfície, como as
correntes de ruído provenientes do circuito de alimentação, assim como as
correntes de retorno que porventura ocorram durante a transmissão. Essas correntes de alta frequência gerarão
campos elétricos de alta frequência da mesma forma como os campos elétricos são gerados no
interior de um capacitor quando passam correntes de alta frequência nos seus
terminais.
O Plano de Terra de Referência de RF, além de ser um de aterramento de RF com baixa impedância independentemente da sua interligação com o aterramento elétrico da estação, ainda proporciona a importante vantagem de reduzir a indução de correntes de modo comum nos cabos de interligação do vários equipamentos da estação na eventualidade de retorno de RF ou proximidade da antena transmissora, se cuidados adicionais forem tomados. Estes cuidados estão descritos no artigo sobre Plano de Referência de Terra de RF citado acima.
Por último, cabe citar que essa solução não é novidade, nem recurso limitado à solução dos problemas de RF de nossas estações. O conceito de Plano de Referência de Terra de RF é empregado em diversas formas que vão desde plano terra em placas de circuito impresso multicamadas, uso de chapas metálicas em mesas ou recintos até o uso de pisos e malhas metálicas em edificações para o combate às interferências eletromagnéticas entre circuitos e equipamentos intra e inter-sistêmicos.
Os ensaios de interferências eletromagnéticas definidos nas
normas internacionais também empregam estes tipos de placas de referência de RF
para a redução de interferências e, principalmente, a garantia de padronização e a repetibilidade dos resultados dos ensaios de RF em qualquer
laboratório no mundo pelo confinamento de campos.
Na figura acima, que padroniza um ensaio da IEC (Comitê Internacional de Eletricidade) para avaliação de comportamento de equipamento em RF, o local de teste (bancada ou solo) é revestido por chapa metálica denominada "Ground Reference Plane - GRP (Plano de Referência de Terra).
4) RESUMO
1) Nem todo o ruído que chega até a entrada do receptor foi efetivamente captado diretamente pela antena:
2) Correntes de ruído em modo comum podem ser captadas por outros fios e cabos na estação (como a alimentação AC, cabos de aterramento e a malha do próprio cabo coaxial) e serem conduzidas até lá em cima na antena pelo lado de fora da malha do cabo coaxial, introduzindo um ruído adicional ao captado pela antena.
3) Ruído também pode ser vazado para dentro do cabo coaxial e conectores a partir destas correntes de modo comum citadas em 2) acima;
4) Os sistemas de aterramento para proteção elétrica (terceiro pino) e contra descargas atmosféricas não são adequados para "absorver" essas correntes de RF captadas por outros fios e cabos na estação, tanto na recepção quanto na transmissão (correntes de retorno) por apresentarem impedâncias altamente variáveis nas radiofrequências, em função das suas dimensões e interligações. O aterramento para RF é muito diferente do aterramento para o Sistema de Proteção contra as Descargas Atmosféricas ou o aterramento do sistema de alimentação elétrica das edificações.
5) Se o cabo de aterramento tiver um comprimento de um quarto de onda da frequência de trabalho do receptor, mesmo que um eletrodo de aterramento perfeito tenha zero ohm de impedância nesta frequência ele funcionaria como uma linha de transmissão com ondas estacionárias, refletindo essa baixíssima impedância do eletrodo de aterramento sob a forma de uma impedância muito alta no início do cabo. E isso equivale a dizer que, para aquela frequência, tanto faz o cabo estar interligado ou não à estação, rádio etc mesmo com esse eletrodo de aterramento perfeito!
6) Isso fica mais crítico nas faixas altas até atingir faixas onde não faz sentido se pensar em aterramento de RF para equipamentos ou estação, salvo situações especiais fora do nosso escopo. Os cuidados com simetria, balanceamentos e acoplamentos/desacoplamentos via baluns serão as defesas naturais contra os problemas de RF.
7) Uma solução “sintonizada” para se implementar um terra de RF junto ao seu rádio pode ser o emprego de um contrapeso de um quarto de onda (na frequência do receptor) conectado ao gabinete do rádio. Trata-se de um cabo ressonante terminado em aberto (alta impedância) que refletirá uma baixa impedância junto ao gabinete.
8) Mas essa é uma solução sintonizada, ou seja, que operará um uma pequena faixa de frequências em torno da frequência de ressonância deste contrapeso sintonizado. Além disso, o contrapeso gerará campos eletromagnéticos localmente no caso de retorno de RF na transmissão, além de apresentar uma tensão na extremidade que poderá ser perigosa. E, no caso de várias faixas de operação, seriam necessários vários contrapesos ou um circuito LC série com um pedaço arbitrário de fio de forma a se poder sintonizar o circuito para que o fio ressone na frequência de operação. É o famoso “sintonizador de terra”!
9) A solução mais adequada é se obter uma referência local de baixa impedância para RF para uma ampla gama de faixas de frequências (portanto não sintonizada) através de uma superfície metálica sobre a qual os equipamentos são montados. Trata-se do Plano de Referência de Terra de RF descrita em artigo, e que recomendamos a sua leitura.
10) Resumindo, enquanto o aterramento para a proteção da instalação elétrica ou para o escoamento de correntes das descargas atmosféricas baseia-se na interligação através de cabos a eletrodos enterrados no solo e conexões específicas da instalação elétrica, o aterramento de RF baseia-se em elementos físicos junto dos equipamentos, como chapas e planos terra, para proporcionar baixas impedâncias localmente.
11) Importante saber, também, que no que toca à redução do ruído na recepção, a eficiência de um Terra de RF, mesmo que feito corretamente, dependerá do seu caso específico, pois cada estação tem as suas características próprias associadas ao ruído. Recomendo fortemente olhar o artigo sobre redução do ruído na estação pois há vários recursos disponíveis que independem do aterramento de RF.
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