Ainda Sobre o Módulo CB da Ultra

Aviso aos navegantes: este post relaciona-se a viagens, mas é eminentemente técnico. 

O Problema: O Modulo de CB conforme o Kit da Harley-Davidson  foi feito para não funcionar.

Tenho "quebrado a cabeça" nos últimos tempos com o absurdamente baixo rendimento da antena do módulo de CB ( PX, para os não familiarizados) da Ultra. O rendimento da antena é absurdamente ridículo, fazendo com que o radio seja usável em um alcance de cerca de 1,5 Km, se tanto. A recepção também é péssima. Até onde pude perceber, isso decorre pura e simplesmente de um erro de projeto, dos grandes.

Estou no Ceará e a moto guardada em Belo Horizonte, somente estarei junto a ela dentro de duas semanas, mas em função de que vou viajar nela, não terei talvez como resolver esse problema agora, talvez somente em outubro, quando tenho planejado nova visita e passeio junto à QNN Elizabeth

Mas nesse meio tempo tenho pesquisado e creio, já tenho a solução para o problema, que afeta todos os usuários do radiocomunicador entre motos através do CB. 

Aproveitando que sou Radioamador Classe A ( callsign PY4SD), que tal se usarmos um pouco da expertise para tentar entender e solucionar o problema? Em linhas gerais, vejamos:

Para se Entender o Problema:

As motocicletas Touring com sistema de comunicação entre motos usa a faixa do cidadão (ou CB, Citizen Band, no original). Essa faixa situa-se no Brasil entre 26,960 MHz a 27,860 MHz e que correspondem a um comprimento de onda de cerca de 11 metros.  Os sistemas irradiantes ou antenas, para auferirem bom rendimento precisam necessariamente serem ressonantes a essas frequências. E além do mais devem trabalhar dentro de uma impedância de 50 Ohms. É importante não confundir impedância com resistência, já que a unidade de medida tanto da impedância quanto da resistência elétrica é o Ohm. Esse entendimento é importante, pois resistência elétrica é uma coisa, impedância outra, vermos mais adiante.

Para se ter um sistema ressonante é ideal que se tenha divisores pares do comprimento de onda original. Assim, antenas ideais devem ter 1/2 onda, 1/4 de onda, 1/8 de onda e assim por diante. Quanto menor o comprimento, pior o rendimento da antena, e esse rendimento é medido em dBi, que seria o rendimento de uma antena isotrópica, ou seja, com 1 comprimento de onda. Bem claro, o dBi afetará a potencia efetiva irradiada ( ERP), Assim, no caso desse radio que possui apenas 4 watts, uma antena com 1 dBi perfeitamente ressonante e com impedância de 50 Ohms ( pois o circuito do radio é calibrado para 50 Ohms) resultará em uma potencia efetiva irradiada de 4 watts, se desconsiderarmos as perdas com comprimento de cabo, tipo de cabo ou linha de transmissão e assim por diante. Se a antena possui 0,5 dBi, a potencia efetivamente irradiada será de apenas 3,57 watts para 27 Mhz. Se a antena possui 3Dbi de ganho ( por exemplo, uma antena com 5/8 de onda), a ERP resultante nas mesmas condições será de 7,94 watts! A antena  e a linha de transmissão são mais importantes que a potencia do transmissor, e o calculo precisa considerar, a frequência, a potencia do transmissor e o ganho da antena. Guarde este principio, relativo à ERP.


Se a antena não é ressonante, as perdas crescem exponencialmente em função das ondas estacionárias no circuito (Stand-wave ratio ou SWR). Uma SWR de 1:1 significa que, eletricamente, 100% da potencia gerada é transmitida pela antena, em um sistema ressonante. Como o aumento da SWR, parte da potencia gerada pelo transmissor retorna a este, simplesmente não é transmitida. Com uma SWR de 3:1, cerca de 60% da potencia gerada retorna ao transmissor, o que significa apenas 40% de potencia gerada transmitida, ou seja, para os 4 watts gerados, apenas 1,6 watts chegará à antena. Desses 1,6 watts, considerando-se a ERP para o rendimento de 0,5 dBi. termos apenas 1,42 watts efetivamente irradiados.

A Ultra usa uma anteninha de 60 cm. Isso equivale a  uma antena de 1/4 onda para 240 MHz, em tese ela não ressona em 27 MHz. Para ressonar em 27 MHz precisaria para 1/4 de onda essa antena deveria ter 2,75 m, ou 1,35 metros para ressonar em 1/8 de onda ou 0,68 m para ressonar em 1/16 de onda. Talvez se considere o comprimento entre o inicio da "bobina" e a inserção da base da haste para completar os 8 centímetros faltantes, mas falaremos sobre isso adiante. Obviamente seria impraticável instalar uma antena de mais de  dois metros e meio em uma motocicleta. Para isso existe recursos. O Mais prático e barato consiste em acrescentar indutância (ops! mais um conceito: de forma simplificada, indutância é a tendencia de um condutor elétrico se opor a uma mudança de corrente elétrica que flui por ele. Observe que é um conceito próximo, mas não igual à resistência elétrica), ou seja acrescentar uma bobina de carga em série ao circuito. 

Dessa forma consegue-se enganar tanto o rádio ( que pensa estar trabalhando em um circuito com resistência elétrica de 50 Ohms) quanto a radiofrequência (que "pensa" estar trabalhando em um circuito ressonante com impedância de 50 Ohms). O radio pensa estar, mas o circuito necessariamente não. Desta forma, as antenas encurtadas sempre terão perdas. O que se pretende com essa sintonia ( de resistência e impedância acrescentando-se indutância) é minimizar as perdas.

Outro fator fundamental é o plano terra, counter poise (contrapeso) ou "imagem" da antena. Quanto mais eficiente o plano terra, melhores serão a recepção e transmissão. Quanto menos eficiente, pior. Isso não influencia na ERP, mas influencia na propagação da onda a partir de sua origem no éter , ou seja, ao deixar a antena.

Ufa!

Sei que para quem não é familiarizado parece um tanto confuso, apesar de ser bem simplesinha a teoria.  A gente poderia simplificar dizendo que antenas curtas não funcionam de acordo e que para resolver parte do problema a gente acrescenta uma bobina de carga antes, no meio ou no final da antena. Mas daí a gente continuaria sem entender o por quê. Principalmente como a Harley errou tanto.

A Harley  informa que usa, assim ela diz, uma bobina de carga que vai alojada dentro do Tour-Pack, antes da antena. De fato é possível encontrar algo que se assemelha por fora  a uma bobina de carga (e de fato é descrita no Part Number como Antenna Coil).

Suponhamos que seja de fato uma bobina de carga. Vão aqui três considerações:

1. Para o grau de encurtamento da antena, há muito pouco espaço para as espiras da bobina necessárias.
2. A "bobina" é um elemento irradiante, aliás, irradia mais que a própria vareta, assim, precisa estar exposta.
3. Antenas com bobinas na base tem rendimento ruim. Bobinas no meio, como nas antenas das Honda Goldwing, tem rendimento melhor. Antenas com bobinas no topo tem rendimento sub-ótimo (ótimo mesmo seria não ter que encurtar a antena!).

Essa "bobina" é alojada, conforme dito, dentro do Tour-Pack, próximo ao nível das lanternas desse baú. Eu repetirei algumas vezes, a bobina irradia até mais que a vareta. A consequência pratica, apesar da baixa potencia do equipamento, é encher o Tour-Pack com radiofrequência, que pode, por exemplo, desmagnetizar cartões de credito e bancários por ventura guardados em bolsas dentro do Tour-pack. 

Outro agravante refere-se ao plano terra. Plano terra é fundamental no projeto de uma antena. A Ultra provê um plano terra, mas é minimo se consistir apenas de uma placa de metal no fundo do Tour-pack (checarei as conexões elétricas quando estiver com acesso à moto). Se essa placa fizer conexão com o chassi da moto, é menos mal, mas talvez não o suficiente. Em matéria de plano terra, quanto mais em tese , melhor. No caso especificado deste projeto, a base de metal na "bobina" vai conectado à essa chapa.

Estou me referindo a essa bobina de carga como "bobina", meio assim entre aspas, pois na verdade ela não é. 
Trata-se na verdade de um Stub, que neste caso é um circuito ressonante curto-circuitado, a fim de trazer artificialmente a impedância para algo em torno de 50 Ohms, em tese permitindo a transferência de radiofrequência. O problema que o stub não resolve o problema da resistência elétrica do circuito. Desta forma engana-se o transmissor oferecendo-lhe uma impedância próxima de 50 Ohms, mas não observando a resistência do circuito elétrico. Tecnicamente eu diria que é uma solução "para inglês ver". Você vai aferir a SWR e, em um golpe de sorte, encontra valores baixos. Pura sorte! Na forma como está montado, esse circuito com uma antena sem bobina de carga, é virtualmente impossível encontrar valores próximos a 1:1, talvez algo em torno de 3:1 o que equivale dizer que o retorno de energia ao transmissor invariavelmente será alta.

Esse absurdo partiu dos projetistas. Começo a entender porque o técnico aqui na ponta de cá da linha falou tanta bobagem "ensinado" como se usar o Squelch, como se ele atuasse no sistema de transmissão em vez de apenas na recepção. Como eletrotécnicos, são ótimos mecânicos de moto. O sistema foi feito na prática, para não funcionar adequadamente, exceto se a proposta inicial era permitir a comunicação em um raio de 200 metros, evitando a interferência e interferir junto aos demais usuários da faixa do cidadão. Só consigo essa explicação. Mas nesse caso, o mais lógico seria melhorar o sistema irradiante e reduzir a potencia do estágio final do rádio. Ainda estou tentando entender...

E as Soluções?

O sistema original está condenado. Parte-se do principio que as soluções encontradas foram as mais primárias e ineficientes possíveis.  A premissa então é partir para um sistema irradiante eficiente na medida do possível e que não induza a perdas por simples desacoplamento entre antena e radio. 

Como o plano terra das motos é ineficiente, simplesmente pois não se tem superfície condutora longa o suficiente, a solução é partir para uma antena que "crie" a sua imagem, suprindo a ausência de um plano terra natural e eficiente. 

Existe alguns fabricantes que produzem antenas que aqui convencionamos a chamar de "marítimas", pois não precisam de um plano terra real para funcionarem com rendimento máximo ou pelo menos submáximo.  Dessa forma elas podem ser fixadas em estruturas dielétricas ou mal-condutoras sem necessidade de conexão do fio ground.

Um desses fabricantes produz as antenas FireStick , que reúnem 5 características que muito me interessam:
1. Não requerem plano terra "real".
2. São curtas: 3 ft que equivale a apenas 0,91 metros.
4. A bobina é no topo, assegura-se melhor rendimento.
5. O ajuste da SWR se faz por um parafuso manualmente, desde que se tenha o medidor de SWR conectado ao radio, durante a instalação da antena.

E ela anda tem um suporte para ser instalada na lateral do Tour-Pack, com pouco prejuízo estético.

Precisarei apenas do adaptador PL239 femea-->Mini-UHF macho para a conexão do cabo padrão, já que o radio usa conector  Mini-UHF em vez do PL-239. O conjunto custa hoje U$65.00 mais taxas e transporte. Não fica ao final necessariamente barato, ou pelo menos três a quatro vezes mais caro que o material disponível no Brasil, mas...  Isso pode fazer uma diferença enorme se groudeado por alguma razão nos Andes ou no Chaco ou Pampa argentinos, na eventualidade de estar sem sinal de celular, é a chance de se obter alguma ajuda....

Claro que uma solução de baixo custo seria substituir o Stub por uma bobina de carga DIY como na foto, mas o problema nesse caso ainda seria o plano terra deficiente e a bobina estar alojada dentro do Tour-Pack, e parte da energia irradiada seria perdida em meios às minhas bagagens... De qualquer forma é ainda uma solução melhor que o arranjo original.

A coisa chega a ser tão absurda, no que diz respeito ao entendimento dos projetistas da Harley, é que ele oferecem um kit de reposicionamento da antena de CB e FM para os suportes das malas laterais, e nesse caso o Stub é simplesmente ignorado, como se fosse opcional, piorando ainda mais o que já era péssimo!

Outra solução simples é facilmente disponível sem a necessidade de importação é utilizar uma antena comercial, como a  Comet CB-20, com bobina no meio, cuja vista explodida se vê na imagem. É curta o sufuciente para ser adaptada no Tour-pack, embora não resolva o problema do plano terra insuficiente.

De qualquer forma, entre encomendar a antena, ter acesso à  QNN Elizabeth, desmontar o fairing, retirar o tanque e bancos, realizar o suporte da antena na lateral do Tour-Pack exige tempo.

Meus interesses relacionado ao módulo CB não são apenas conversar com o colega em outra moto a cerca de 10, 20 metros de mim. Preciso de comunicação que cubra pelo menos um raio de 5 km durante o dia, uns 10 km à  noite.

Estamos nos preparativos finais para fazermos o sul do Brasil, chaco argentino até Mendoza, cruzarmos a Cordilheira dos Andes até Santiago ou Valparaiso, descemos até Pucón, cruzarmos novamente a Cordilheira até  Bariloche, depois cruzarmos o pampa argentino, Buenos Aires,  Montevideu  e depois mais sul do Brasil até Belo Horizonte. Quero contar com um suporte de comunicações além dos celulares, do VHF e UHF na forma de um rádio que me permita contatar caminhoneiros,  seja por cortesia, seja por necessidade. É um item de segurança a mais.