Experimentações Teóricas

Um dos maiores, senão o maior, problema no projeto de antenas é o tamanho físico resultante. Não há como escapar: mais ganho = mais tamanho. Aqui tamanho é documento, é inexorável. Não existe mágica o tamanho de uma antena para as bandas de 80 ou 160 metros será sempre muito grande. Bem, pelo menos esta é a regra decorrente dos livros de física.
Há vários anos, quando estava projetando o meu sistema para 80 metros, tentei reduzir o tamanho do mostrengo mas foi tudo em vão. Fiz o projeto seguindo os preceitos básicos e tudo funcionou dentro do esperado, mas em termos físicos o resultado foi uma antena ocupando cerca de 4.000 metros quadrados o que é um insulto ocupacional. Apesar do excelente desempenho da 4 square não desisti da busca de algo mais compacto, sem prejuízo do desempenho, e talvez com algum ganho adicional. Se as leis da física não permitiam a redução do tamanho, em detrimento do ganho, imaginei que a química pudesse dar alguma contribuição à solução do problema, afinal as leis agora passam para a circunscrição da físico-química, o que pode, em tese, significar um avanço.
A energia emitida por uma antena é gerada no entorno, na superfície, do elemento irradiante, isto é lei da física e imutável, mas, se excitarmos um gás ou uma mistura de gases poderemos ter essas irradiações em camadas concêntricas, como se fossem tubos montados um dentro do outro, e portanto a energia irradiada poderá ser multiplicada pela energia gerada nas camadas inferiores diminuindo o comprimento físico e adicionando um ganho, se fossemos utilizar o jargão do mercado financeiro poderíamos denominar de operação alavancada. Ora, o momento angular de um corpo é a grandeza física associada à rotação e translação desse corpo, assim, um corpo girando em torno do seu eixo, acaba por relacionar sua distribuição da massa com sua velocidade angular; por conseguinte a quantidade de movimento angular é a grandeza conservada sob rotações no espaço tridimensional, decorrente da sua isotropia, obviamente advinda de simetrias geométricas: quantidade de movimento linear, energia e quantidade de movimento angular. Com estes conceitos em mente, comecei a estudar o movimento angular dos íons resultantes de alguns gases que devidamente excitados em uma dada frequência pudessem responder linearmente, e em camadas, durante um tempo indefinido, isto é, uma vez excitados conservariam o momento angular e a distribuição em camadas até a interrupção da energia aplicada. Vale lembrar que a ionização do gás só acontece com potências superiores a 800 watts aplicados no conector da antena, não é na saída do amplificador. A contra-partida disso são as variações isotérmicas resultantes da excitação do gás sob as elevadas tensões da RF aplicada; segundo a lei de Huyghens nas colisões elásticas entre as moléculas o produto da massa pelo quadrado da velocidade permanece constante; desta forma, a adição de um sal ionizante proverá à mistura um fator para arrefecimento sem reduzir o número de íons livres. Depois de muito estudo teórico e muita simulação foi chegada a hora de montagem do primeiro protótipo. Os resultados iniciais foram animadores, alguns gases realmente se comportaram como esperado mas com várias falhas para o fim a que se destinavam. Depois de várias simulações teóricas consegui a mistura que respondeu às minhas expectativas: manutenção das características fisico-químicas após a redução de volume, manutenção do momento angular sob variações intensas de temperatura e principalmente a estabilidade da frequência resultante. Este último ponto era crucial e foi o que demandou mais experimentos, afinal, a variação da frequência ressonante sob quaisquer determinantes poderia prejudicar a relação de ondas estacionárias. A mistura de gás resultante é composta de xenônio, nitrogênio, oxigênio, fósforo e bário; as proporções de xenônio e os sais de peróxido de bário, foram fundamentais para o estabelecimento do intervalo de variação de temperatura em níveis térmicos aceitáveis e, principalmente, garantido a linearidade das isotermas, por outro lado a adição de fósforo garantiu a formação de camadas concêntricas permitindo a geração de energia em camadas na mesma dimensão linear. A mistura final foi batizada de Xenóphobo por conta dos símbolos dos elemento químicos dos componentes: Xe, N, O, PH e B.
O software utilizado nas simulações foi o NEC5 (Numerical Eletromagnetic Code) versão 5.2 cujos cálculos são baseados no método dos momentos aplicados às modelagens por segmentos de fio ou por segmentos de área; esta versão só trabalha em ambiente Unix sem interface gráfica, apenas por linha de comando. Para operar as simulações de momentos em volumes compartimentados específicos foi utilizado um addon escrito pelo russo Lev Yashin, UA1KGW, professor de geometria tridimensional da universidade de Leningrado. Depois de várias simulações uma antena yagi de 3 elementos para 14.175 kHz foi configurada com os elementos em 1,80m afixados numa gôndola de 2,73m. O ganho frontal é de 10,83 dBi e a relação frente x costa de 28,3 dBi. O comprimento dos elementos é constante variando-se apenas as quantidades de fósforo e peróxido de bário no refletor e no diretor.
O protótipo foi montado com lâmpadas fluorescentes usadas presas em ripas de madeira. Os elementos e gôndola são interligados com fios nas configurações clássicas das yagis. O gás resultante apresentou impedância de 198 ohms exigindo um balum 4:1 para seu casamento com a linha de alimentação. Foram adaptadas válvulas pneumáticas nas pontas das lâmpadas para inserção e retenção do gás. Os gases componentes da mistura foram todos com teor de pureza superior a 99% e adquiridos junto a um fornecedor de gases industriais. O desempenho do protótipo foi excepcional principalmente na recepção onde a total ausência de elementos metálicos reduziu a sensibilidade à captação de ruídos externos, principalmente dos famosos ruídos de linha devido ao nulo obtido pelo diferença angular entre o vetor preponderante da rotação molecular do gás e o vetor do ruído elétrico; a sensibilidade de recepção ficou melhor do que -165 dBw. Infelizmente o protótipo teve que ser desmontado devido a precariedade da montagem e do risco de queda. Não pretendo montar outra antena para 20 metros mas o projeto está a disposição dos interessados.
A redução física do elemento irradiante me animou a um novo projeto que se encontra atualmente em fase de testes: um array de 8 verticais para 80 metros com altura de 8,96 metros cada. A configuração geométrica é composta de 2 quadrados concêntricos, o interno com 8,96m de lado e o externo com 26,88 metros de lado o que me permite utilizar os 5.000 metros de radiais existentes da 4 square de torres. Com os gases corretamente configurados a antena trabalha com 7/8 de onda apresentando ganho frontal de 9,6 dBi e relação frente x costa de 30 dBi com ângulo de saída em 16 graus. Os tubos estão em PVC de 250mm de diâmetro para diminuição do Q de entrada e consequentemente estacionárias mais baixas nas extremidades da faixa, a exemplo do que acontece com as verticais em torre; os tubos deverão ser quimicamente tratados devido à pressão osmótica do gás quando submetido a 1.5 kW. A potência ideal de operação é em torno de 1.200 watts onde a ionização é excelente e a temperatura se mantém relativamente estável mesmo em câmbios longos. Não foram testados comunicados em RTTY onde as simulações teóricas indicam um nível de potência entre 800 e 900 watts, próximos ao limite inferior da banda de potência ionizante.
Ainda falta muito para resolver todos os problemas mecânicos, armazenamento de gás e outras dificuldades para montar um sistema que tenha durabilidade, estabilidade e outras necessidades operacionais, mas os resultados são animadores. Se eu obtiver sucesso nesta configuração o próximo passo será um array de verticais para 160 metros com ganho frontal da ordem de 6,5 dBi mas aqui os custos são um tanto quanto desanimadores e não poderei montar protótipos e antenas de testes, terei que montar o projeto em definitivo devido aos altos custos envolvidos.
Concluindo, é possível reduzir o tamanho físico do elemento irradiante e dos parasitas, mas o volume de gás equivalente será sempre o mesmo; o componente de maior custo é o gás, porém ao aumentarmos a pressão para manutenção do volume equivalente, conforme nos ensina sir Robert Boyle, os custos de retenção do gás aumentam exponencialmente devido a vazamentos e tensões osmóticas incidentes, assim, penso que a relação ideal entre volume e custo deva estar da ordem de sessenta e cinco por cento de redução o que já um valor expressivo.
Os interessados nos projetos podem solicitá-los por e-mail cujo endereço consta do meu site, será um prazer compartilhar os resultados obtidos.
73 DX de PY2YP - Cesar