As antenas verticais precisam de muito espaço para funcionarem corretamente isto porque elas requerem dezenas de radiais de pelo menos um quarto de onda cada. Assim, para uma única vertical para a faixa de 80 metros, são necessários 1.256 metros quadrados, ao passo que para a faixa de 160 metros são necessários nada menos que 5.026 metros quadrados! Elas exigem ainda solos com boa condutibilidade elétrica cuja ocorrência é bastante rara. No Brasil os solos que apresentam condutibilidade ao redor de 30 miliSiemens/metro e que tem alguma freqüência são os latossolos, isto é, solos com relação sílica/sesquióxido de ferro ou de alumínio maior do que 1,5. Em algumas regiões do centro-oeste e do nordeste os latossolos surgem com razoável frequência mas estão sempre restritos a pequenas áreas, conhecidas como jazidas lateríticas. As estações que, por um golpe de sorte, estão construídas sobre uma dessas áreas têm excelentes desempenhos nas suas antenas. Por outro lado, nos estados do sul e sudeste os latossolos são bastante raros. Para suprir a deficiência do solo são necessárias grandes quantidades de radiais o que aumenta consideravelmente o custo da antena. Isto tudo considerado, tem-se como resultado antenas verticais mal construídas e com rendimentos substancialmente prejudicados e consequentemente o descrédito para utilização em DX. Por outro lado, quando corretamente construídas elas apresentam excelentes desempenhos, como é o caso de PY3CEJ, ON4UN e vários outros.
Em meados da década de 60 dois radioamadores norte-americanos, W1FC e W1CF, começaram a desenvolver um modelo teórico para utilização de 4 verticais em fase como alternativa viável para antenas direcionais nas bandas de 80 e 160 metros as quais, dadas as suas gigantescas dimensões, acarretam problemas mecânicos e estruturais que fogem do alcance dos orçamentos domésticos da esmagadora maioria dos radioamadores. O resultado desse modelo veio a ser chamado de antena 4 square publicada na revista QST de março de 1965. O excepcional desempenho e o custo relativamente baixo desta configuração fizeram com que ela se tornasse bastante popular entre os radioamadores que gostam das bandas baixas tendo sido até mesmo usadas em algumas DX-peditions, como foi o caso da operação de Spratly Island, 9M0C, em 1998.
Conceito
A antena é constituída de um conjunto de 4 antenas verticais de 1/4 de onda de altura, calculadas a partir da frequencia de operação e devidadamente isoladas da terra, ficam posicionadas nos vértices de um quadrado com lado de 1/4 de onda, calculado para a mesma frequência. Elas são colocadas em fase e comutadas através de um sistema conhecido como Hybrid Phasing Coupler, desenvolvido pela Comtek Systems, que consiste em uma caixa de fasamento - onde estão alojados o circuito eletrônico constituído de reles e demais componentes - e cabos coaxiais cortados em comprimento tal que permita o fasamento. Com as antenas em fase o sinal será sempre transmitido na direção da diagonal do quadrado através de uma torre ficando as outras três com a função de atuarem como elementos refletores.
Foi escolhida a alternativa de uso de torres de ferro auto-suportadas, ao invés de tubos de alumínio estaiados, para os elementos verticais porquanto o maior diâmetro do elemento faz com que a sintonia fique broad band garantindo um comportamento mais uniforme ao longo da faixa e ondas estacionárias mais baixas nas extremidades, isto é, nas janelas de DX situadas entre 3.500 e 3.520 kHz na porção de telegrafia e 3.780 e 3.800 kHz na área de fonia. Os estais foram suprimidos para evitar interação entre as torres e as outras antenas bem como por razões estéticas impostas pela autoridade competente, PY2YL.
Imaginando-se que um lado do quadrado está paralelo à linha do equador as diagonais estarão apontando para a Europa, Africa, Oceania e USA. As torres são alimentadas com correntes iguais, assim, quando a torre Europa estiver comutada ela estará com a alimentação a -90 graus, as torres laterais, ou seja, Africa e USA, estarão sendo alimentadas a 0 grau ao passo que a torre traseira, a Oceania, estará com alimentação a 90 graus. A direção do sinal de maior ganho é ao longo da diagonal que une os elementos frontal e traseiro e o sentido será de +90 para -90 graus; neste exemplo, da Oceania para a Europa. Obviamente variando-se a comutação, através de um sistema de reles, pode-se dirigir o sinal para quaisquer das 4 direções tendo assim uma antena grosseiramente direcional. O lóbulo de irradiação é da ordem de 60 graus e o ângulo de irradiação é de 17 graus de elevação.
São três os fatores importantes para o rendimento de uma antena vertical:
Todos esses três fatores estão diretamente ligados à condutiblidade, ou baixa resistência, do solo e ao número e comprimento dos radiais. O ideal para uma antena vertical seria a sua proximidade com o mar ou na falta deste, a utilização de 240 radiais por torre com 2 comprimentos de onda (160 metros) cada. Como não foi possível a utilização desse número de radiais, devido às restrições físicas, a solução foi adotar as simulações feitas por Devoldere, utilizando o software NEC - Numerical Eletromagnetic Code para solos com características elétricas semelhantes às do solo local elegendo a configuração de menor comprometimento.
O solo do sítio das antenas classifica-se, segundo Lewallen, como "solo médio" com constante dielétrica igual a 13 e condutibilidade de 5,0 mS/m (miliSiemens por metro). O resultado das simulações para este tipo de solo, indicaram a adoção de 60 radiais por torre com 1/4 de onda (20 metros) cada.
Os valores obtidos da simulação do comportamento da antena indicaram:
ganho = 5,2 dB;
ângulo de irradiação = 17 graus;
ângulo de Pseudo-Brewester = 8 graus;
relação frente/costas = 20 dB.
Estes resultados são bastantes significativos para uma antena para a faixa de 80 metros. Para saber mais sobre ângulo de Pseudo-Brewster leia o Boletim Informativo do CWSP número 185 de abril de 2002.
Dimensões
As torres tem 17,10 metros de altura tendo na extremidade um tubo de alumínio de 6 metros de comprimento e diâmetro de 5,0 cm. O tubo trabalha como elemento de sintonia permitindo encontrar o comprimento de ressonância da antena variando-se sua altura fora da torre. A altura total é de 20,30 metros para sintonia em 3.650 MHz. É importante notar que os topos das torres devem estar na mesma cota. Cada torre tem a forma de um prisma de base quadrada com lado de 71 cm na base e 12 cm no topo.
As torres estão colocadas nos vértices de um quadrado de 20,55 metros de lado e 29,06 metros nas diagonais. Para que os topos das torres permanecessem nivelados, isto é, na mesma cota, foi efetuado durante a locação das bases o nivelamento e contra-nivelamento, o que garantiu que suas cotas de arrasamento ficassem exatamente iguais.
Elas estão interligadas com cabos coaxiais conectados à caixa que aloja o Hybrid Phasing Coupler que por sua vez é alimentada por um cabo conectado à saída do amplificador linear dentro do shack com aproximadamente 50,0 metros de comprimento. O comprimento dos cabos de interconexão das torres, isto é, a ligação delas com a caixa de fasamento, é crítico e qualquer variação fará com que as torres fiquem fora de fase impedindo a antena de funcionar corretamente.
É importante considerar que a distância entre cada torre e o centro do quadrado, isto é, o cruzamento das diagonais, é de 14,53 metros. O comprimento físico de cada cabo é igual ao produto do comprimento elétrico pelo fator de velocidade; assim, para que os cabos coaxiais fiquem em fase é feita a multiplicação do fator de velocidade do cabo pela frequencia de ressonância considerada. Se utilizarmos cabos coaxiais com dielétrico de polietileno, que são os mais usados, teremos 20,55 * 0,66 = 13,56 metros que é claramente insuficiente para alcançar a antena. Desta forma, deve-se usar cabo coaxial do tipo FOAM ou CATV que tem fatores de velocidade iguais a 0,78 e 0,81 respectivamente.
Foram colocados 60 radiais em cada uma perfazendo 240 radiais com comprimento de 20,00 metros cada, totalizando 4.800 metros de fio de cobre 14 AWG. A área total da antena é de 3.247,44 metros quadrados e volume total de 65.273,54 metros cúbicos.
Construção
O dimensionamento da estrutura das torres foi cuidadosamente elaborado de forma a atingir os seguintes objetivos:
impedância o mais próximo possível de 50 Ohms;
reduzida área vélica;
menor índice de esbeltez.
A associação dos dois últimos itens permitiu reduzir consideravelmente o custo das torres e das fundações. A análise do perfil da estrutura mostrou que os momentos atuantes na base, devido às cargas eólicas e ao peso próprio, eram suficientemente pequenos para uma fundação convencional constituída de bloco e estaca Strauss.
A ferragem do bloco está integrada à base de ancoragem e foi feita com perfis em L de 3 cm de lado e espessura de 3 mm formando um cubo de 80 cm de lado e cruzando as diagonais com ferro redondo CA-50A de 12 mm de diâmetro. Para a escavação da caixa foram acrescidos 3 cm em cada dimensão do bloco para garantir o recobrimento mínimo da ferragem conforme preconiza a norma NBR-6118 da ABNT. No centro do bloco foi escavada uma única estaca com 30 cm de diâmetro e 3,00 metros de profundidade de forma a rebaixar o centro de gravidade do conjunto e combater o momento atuante na base da torre. Foi colocado um único ferro, sem estribos portanto, com bitola de 20 mm e comprimento de 4,07 metros, com área suficiente para combater os esforços de tração e flexão. O topo do ferro é dobrado a 180 graus tendo 10 cm na horizontal e 20 cm paralelo ao comprimento, o ferro entra no bloco até 3 cm abaixo do topo, garantindo a integração da estaca Strauss com o bloco. Os blocos foram concretados com concreto 18,0 MPa até a cota de arrasamento. O bloco da torre USA ficou 36 cm acima dos demais, devido a um pequeno declive do terreno; foram utilizadas formas para garantir a mesma cota.
O projeto impunha que as torres fossem devidamente isoladas da terra, assim a solução encontrada foi a confecção de cilindros e placas de fibra de vidro. O cilindro é vazado com diâmetro interno de 12 mm e externo de 36 mm. O parafuso da fundação da torre fica perfeitamente encaixado dentro desse cilindro, garantindo que não haja contato entre ele e o pé da torre. O pé da torre por sua vez fica entremeado por duas placas de fibra de vidro quadradas com 10 cm de lado e 12 mm de espessura. Cada placa de fibra de vidro tem um furo no meio com 36 mm de diâmetro por onde passa o cilindro que protege o parafuso. A placa de fibra de vidro colocada sobre o pé da torre recebe o conjunto de arruela e porca.
Todo o conjunto é assente em um aparelho de apoio, de forma quadradada com 10 cm de lado e 20 mm de espessura com um furo no meio de 36 mm de diâmetro. O aparelho de apoio por sua vez está assente sobre o concreto da base.
Este sistema foi concebido com o objetivo de absorver as vibrações da torre e não transmiti-las à fundação bem como prolongar a vida útil das peças de fibra de vidro. O aparelho de apoio constitui-se de um elastômero à base de neoprene que é largamente utilizado em obras de grandes estruturas, como pontes e viadutos e tem custo muito elevado, só foi possível utilizá-lo devido a generosidade da empresa Stela - Sociedade Técnica de Elastômeros que gentilmente cedeu 16 peças. Os testes de laboratório mostraram que o neoprene rompe elétricamente a 1.500 Volts não podendo atuar sozinho como elemento isolante, razão pela qual foi adotada a fibra de vidro para isolação elétrica e neoprene para absorção dos choques mecânicos.
Os radiais são de fio nú de cobre 14 AWG com comprimento de 20,0 metros colocados a cada 6 graus azimutais; para que ficassem perfeitamente posicionados foi elaborado um projeto de locação com auxílio da ferramenta script do software AutoCad. De forma a não prejudicar a vegetação e evitar acidentes com o cortador de grama, foi desenvolvida uma ferramenta para colocação dos radiais a exatos 2 cm de profundidade. Após os radiais estarem esticados eles tiveram suas pontas afixadas a um prego de 10 cm de comprimento para ficarem devidamente imobilizados.
Inicialmente foram colocados 2 fios guias com bitola 12 AWG, nús, com 28,09 metros de comprimento, perpendiculares aos lados do quadrado, e passando pelo encontro das diagonais. Todos os radiais que encontrassem estes fios guias tiveram seu comprimento interrompido e foram ali soldados conforme figura. Foi utilizado maçarico a gás para a soldagem e solda do tipo 60Sn-40Pb.
Na base de cada torre foi colocado um anel feito de tubo de cobre, de formato circular, com 2,83 metros de circunferência e 6 mm de bitola, circundando a base de concreto e afixados sobre o solo de forma a não ter contato com qualquer parte metálica da torre. Os anéis de cada torre foram interligados entre si, formando um quadrado de fio cobre nú com bitola 12 AWG. A malha do cabo coaxial e os radiais de cada torre estão conectados a esses anéis.
Foram escavadas valetas ao longo do terreno para abrigar tubos de PVC com 10 cm de diâmetro, por onde correm os cabos de alimentação e comutação, ligando a estação até o cruzamento das diagonais das torres, onde foi erguido um pilarete de alvenaria com base quadrada de 25 cm de lado e 0,70 metro de altura. Neste pilar está acondicionada uma caixa metálica, com a face voltada para o norte, de forma a minimizar a exposição à chuvas e ventos, onde se aloja a caixa de fasamento. Da base desse pilar saem tubos de PVC com 5 cm de diâmetro por onde correm os cabos de alimentação de cada torre.
Desempenho
Na primeira medição a antena apresentou uma grave deformação no lóbulo de irradiação e valores absurdos de onda estacionária nas direções NW e SE. Uma cuidadosa inspeção nas torres e na caixa de fasamento mostrou um conector de um dos coaxiais solto, corrigido o defeito as leituras apresentaram os seguintes valores:
QRG
3.500
3.650
3.800
ROE
1:1,7
1:1,2
1:1,6
Clique aqui para o relatório completo das medições.
O desempenho da antena de acordo com as reportagens mostram que o rendimento da antena está bastante satisfatório e embora não tenham sido feitas medições específicas é de se supor que o rendimento está bastante próximo, para mais ou para menos, do valor especificado em projeto. Na recepção a antena apresenta-se bastante silenciosa equiparando-se ao rendimento de uma beverage com dois comprimentos de onda e é bastante comum ouvir sinais que não são recebidos por outras estações.
Em um dia com a propação apenas marginal para a Europa, apareceu no ar a estação SM7EHU operada por Per, utilizando o mesmo tipo de antena, o QSO ficou muito semelhante a um comunicado em 20 metros. O ruído atmosférico, ao redor de S6, estava muito abaixo do sinal do Per que estava com S9 +10 dB. Aproveitamos a oportunidade para fazermos testes de direcionalidade dos sinais: com a antena voltada para os USA o Per não conseguia copiar os sinais que perdiam-se no ruído, S7 no lado dele. Com a antena virada para a Africa, a situação repetiu-se. Per estimou a relação frente x lado em 3 S, o que está bastante próximo do previsto. O prazer em poder escutar a faixa de 80 metros sem aqueles malditos estáticos compensa em muito o custo e o trabalho exigido para a construção da antena.
Créditos
Cálculo estrutural: Eng Arthur José Magalhães de Assis Bastos
Fundações: Eng Cesar Augusto de Camargo Rodrigues
Obras civis: MSG Engenharia Ltda
Bibliografia
"A Switchable Four Element 80-Meter Phased Array", by Dana Atchley, W1HKK/W1CF, March 1965 QST.
"Antennas and Techniques for Low-Band DXing", by John Devoldere, ON4UN.
"The ARRL Antenna Book" by R Dean Straw, N6BV, publicado pela ARRL.
