CONSTRUCCIÓN CASERA DE EMISORAS FM COMUNITARIAS

EMISORAS FM DE CONSTRUCCIÓN ARTESANAL

Por: Ramón Miranda, YY5RM (ramon.miranda811@hotmail.com)

Saludos Colegas. Desde inicios de la electrónica y las comunicaciones locales vía antena, la radiodifusión ha representado el medio de comunicación al alcance de todos, gracias a sus bondades y bajo costo que implica para radioescuchas.

Para instalar emisoras FM (Frecuencia Modulada), en el mercado es posible adquirir equipos transmisores de diversas potencias, sistemas de antenas, estudios y equipos profesionales en general, lo cual pudiera representar una inversión monetaria que dificulte dicha instalación en pequeñas comunidades con bajos recursos económicos. Para quienes prefieren la construcción artesanal a bajo costo, o simplemente contribuir al conocimiento, en el presente artículo se describen ideas para construir sencillas emisoras en rango FM comercial (frecuencias desde 88 MHz, hasta 108 MHz), de excelente calidad de audio stereo, estables de frecuencias y futuristas (expandibles en potencias), las cuales pudieran servir de herramienta comunicativa en pequeñas comunidades aisladas en cuanto a información local se refiere, contribuir al sano entretenimiento, educación,  incentivar valores humanos y al progreso comunitario.

TEMAS

1)      Notas generales.

2)      Notas técnicas y teoría aplicada al tema.

3)      Descripción de la mini-emisora FM.

4)      Dispositivos de sonido (mini-estudio).

5)      Construcción del transmisor.

a)      Modulador FM.

b)      Fuentes de poder.

c)      Construir vatímetro y carga ficticia.

d)      1er. Amplificador RF.

e)      2do. Amplificador RF.

f)       Ensamblar el transmisor y diagramas.

g)      Ejemplos de circuitos adicionales.

6)      Construcción de antenas para iniciar la transmisión.

a)      Elemento Driven, con adaptador ganma matching.

b)      Antena Slim Jim.

c)      Antena Slim Jim, sencilla (sin conector).

d)      Antena Doble Bazooka.

7)      Notas finales.

NOTAS GENERALES

1.  Antes de construir e instalar emisoras FM, se sugiere previa lectura del Reglamento de Radiocomunicaciones de su país, además de cumplir los procedimientos y requerimientos necesarios para la adquisición de licencia (no contribuir con la piratería).

2.   Es necesario aclarar que existen diferencias entre posibles usos de emisoras comerciales y emisoras comunitarias (no son permitidas por la legislación en muchos países. No para fines de lucro).

3.      Se advierte que hacer uso del Espectro Radioeléctrico, sin debida participación ni licencia previa, las sanciones incluyen altas multas (en Venezuela hasta 100 unidades tributarias), decomiso de equipos y en muchos países se decomisa el material, más las herramientas usadas en la instalación.

NOTAS TÉCNICAS Y TEORÍA APLICADA AL TEMA

4.  La relación entre la potencia RF transmitida y la intensidad de señal recibida, es logarítmica. Ejemplo: Un receptor equipado con indicación analógica en escala lineal de 1 a 9 unidades, el cual registra con 4 unidades la señal proveniente desde una emisora FM que transmite con 0.1 Watt de potencia RF, al incrementar dicha potencia hasta 1 Watt en el indicador del receptor se apreciará un incremento equivalente a 1 unidad (indicaría 5 unidades).  Al aumentar la potencia del transmisor hasta 10 Watts, incrementa 2 unidades en el receptor, es decir, indicará 6 unidades. Si incrementamos hasta 100 Watts, en el receptor indicará 7 unidades y si continuamos aumentando la potencia RF hasta 1000 Watts, en el receptor solo habrá incrementado 4 unidades, es decir, indicará 8 unidades. Este enunciado teórico nos indica la necesidad de dar mayor prioridad a la ubicación geográfica de la estación emisora, desde donde se observe visualmente el área de cobertura, además de usa un sistema de antena de alta ganancia y que no necesariamente se requieren potencias RF exuberantes en el transmisor.

 

1.      Las principales razones para definir excelente cobertura, consisten en:

i)     Ubicar la antena en el lugar de mayor altura con respecto al área o terreno que se requiere cubrir (vista panorámica privilegiada).

ii)    Elegir el mejor patrón de radiación de la antena, el cual está conformado por lóbulos que determinan las direcciones en las cuales se emiten señales.  En la medida que se aumenta la altura de la antena (respecto al suelo), se multiplica el número de lóbulos y aunque el campo ocupa el mismo volumen, se favorecen o incrementan de volumen los lóbulos horizontales, minimizando la emisión de señales hacia arriba y aprovechando la mayor irradiación de señales hacia el horizonte.

i)     La tercera razón es la ganancia propia de la antena. Típicamente se agrupan (enfasar) varios pares de elementos irradiantes para conformar una misma antena (generalmente se agrupan en arreglos de 2, 4, 8 y más Dipolos de 1/2 longitud de onda cada uno). En la imagen siguiente se muestra un arreglo de 4 Dipolos de 1/2 λ cada uno, en polarización horizontal, aunque la polarización para antenas FM comercial, es vertical. En el enlace siguiente se muestran más detalles: http://yy5rm.blogspot.com/2011/10/dipolo-doble-monobanda.html

Para minimizar costos iniciales, es posible construir artesanalmente un par de elementos irradiantes de 1/2 λ cada uno (Driven Element de 1/2 λ) o usar una antena Slim-Jim, la cual no requiere de mucha altura para conformar lóbulo horizontal de bajo ángulo de radiación o próximo a cero grados con respecto al horizonte.

1.  Generalmente el lugar geográfico privilegiado para obtener excelente cobertura, es vulnerable y propenso a descargas atmosféricas (rayos), razón por la que se requieren puntos de tierra para conectar el pararrayos, el cual se debe ubicar en el extremo superior de la torre (sistema de antena) y línea de tierra para equipos de la emisora FM, similar como exigen las normas que protegen al cuerpo humano, adicionando equipotencialidad eléctrica entre equipos y maquinarias industriales.

1.    La ROE (Relación de Ondas Estacionarias) es una pérdida causada por desequilibrios de impedancias en el sistema de antena y que pone en riesgo de daños al transmisor, donde parte de la energía que viaja en un sentido (ondas incidentes), es reflejada en sentido contrario (ondas reflejadas), lo cual pone en riesgo de daños a las etapas amplificadoras RF del transmisor.

Para mayor transferencia de energía, la impedancia en todo el sistema de antena debe ser similar (complejo conjugado) a la impedancia del transmisor (50 Ω). La ROE ideal es 1.0 y no debería exceder de 1.5. Para tener una idea abstracta de la ROE, asumiendo que la antena fuese una carga resistiva “referencialmente” se pudieran dividir ambas impedancias, usando la mayor como dividendo (arriba) y la menor como divisor (debajo), ejemplo 1: Si la antena es de 75 Ω (75 ohmios) y la dividimos entre la impedancia del resto del sistema (50 Ω cable coaxial y 50 Ω salida del transmisor), el resultado es 75 Ω / 50 Ω = 1.5 ROE. Ejemplo 2: Si la antena es de 200 Ω y se conecta directamente mediante una línea coaxial de 50 Ω, el resultado será 200 Ω / 50 Ω = 4.0 ROE.

1.      La asimetría en la antena y algunas perdidas (principalmente en conectores, arneses, empalmes o cualquier otro cambio de geometría en la línea coaxial), generan calor e irradiación en la línea (el mismo cable coaxial que llega hasta el transmisor se convierte en parte de la antena y consume parte de la energía). La irradiación en la línea causa interferencias hacia otros equipos electrónicos (televisores, radios, equipos de sonido, computadoras, teléfonos, etc.) vecinos al paso de la línea, antena y del mismo transmisor, además de ocasionar presencia de RF en la sala de radios (comentario personal: desconozco estudios que certifiquen o demuestren la afectación en la salud humana). Para minimizarla o suprimirla, es necesario instalar dispositivos chokes RF o ferritas en el extremo del cable coaxial que conecta hacía la antena, además de instalar filtros debidamente aterrados y conectados entre puntos de alimentación (13.8 VDC y enchufes 120 ó 220 VAC). De las 2 antenas sugeridas para iniciar emisoras FM, a bajas alturas la Slim-Jim es de mayor ganancia, pero de mayor asimetría y no permite montar pararrayos por sobre ella. Por el contrario, la Doble Bazooka y Driven Element son simétricas pero requieren de gran altura para mejorar su patrón de radiación y si permiten montar pararrayos por sobre ellas.

2.     Para establecer comunicación, es necesario que los receptores de radioescuchas estén sintonizados en la misma frecuencia de la estación transmisora.

3.   La frecuencia y la longitud de onda (λ) son inversamente proporcionales, es decir, a mayor frecuencia, menor será la λ y viceversa. Esto explica porque un mismo tipo de antena, es más pequeña para 108 MHz y de mayores longitudes para 88 MHz.

La imagen anterior facilita cálculos. En cada circunferencia se tapa con un dedo la incógnita, quedando la constante (300, 285, 213.73, 178.125, 142.5 y 71.25), dividida entre el dato disponible.  Ejemplos:

·         Se desea saber la longitud de onda en el espacio (λ), para 88 MHz: 300 / 88 MHz = 3.409 metros.

·         Se desea conocer la λ en el espacio, para 108 MHz: 300 / 108 MHz = 2.777 metros.

·         La λ en el espacio es 3 metros y se desea saber la frecuencia: 300 / 3 m = 100 MHz.

·        Se desea calcular la longitud de un Dipolo de 1/2 λ para 97 MHZ: 142.5 / 97 MHz = 1.469 metros.

·    Una Dipolo de 1/2 λ mide 1.5 metros, se desea conocer la frecuencia: 142.5 / 1.5 m = 95 MHz.

·       Se desea calcular una antena de 5/8 λ para 107 MHz: 178.125 / 107 MHz = 1.664 metros.

·    Una antena de 5/8 λ mide 1.7 metros, se desea conocer la frecuencia: 178.125 / 1.7 m = 104.7 MHz.

·    Se desea conocer 1 λ en cable coaxial, que tiene una VP de 0.82, para 97 MHz: 300 / 97 MHz x 0.82 = 2.536 metros (longitud necesaria para: construir los arneses  que distribuyen la línea coaxial en arreglos colineales de antenas. Construir balun coaxial de relación 4:1 ó 1:1. Calcular la longitud total de la línea coaxial, etc.).

DESCRIPCIÓN DE LA MINI-EMISORA FM

La Mini-emisora FM descrita en el presente artículo, permite una cobertura efectiva aproximada desde 1 Kilómetro, hasta 5 Km a la redonda, la misma está dividida por etapas y dispositivos los cuales permiten probarse por separado, en la medida que se culminan (dispositivos de sonido, fuentes de poder DC, modulador FM, amplificadores de RF y antena).

Futuramente es posible incrementar la cobertura, adicionando cualquier circuito amplificador RF adquirido en el mercado o de construcción artesanal.

Para facilitar la construcción, se sugiere establecer el siguiente orden de prioridad, o  secuencia:

1.      Adquirir el modulador FM  4 en 1 y modificarlo.

2.      Adquirir o construir la fuente de poder.

3.      Construir  e instalar una antena provisional.

4.   Comprobar funcionamiento inicial: Instalar la antena directamente al modulador FM (con fuente de poder o batería 12 VDC), para así escuchar la calidad de señal en un receptor ubicado a menos de 100 metros de distancia.

5.  Construir medidor de intensidad de señal (vatímetro) y primera etapa amplificadora RF (ajustar y comprobar cobertura).

6.     Construir el segundo amplificador RF.

7.      Ensamblar el transmisor.

8.      Adquirir equipos del mini-estudio e instalar la emisora.

9.      Opcional:  Adquirir o construir equipos adicionales.

DISPOSITIVOS DE SONIDO (MINI-ESTUDIO).

En estudios para emisoras FM, típicamente se emplean equipos de audio profesional, donde un personal humano debidamente calificado opera consolas de múltiples canales o entradas de audio. Para esta Mini-emisora FM, humildemente se sugiere un ordenador personal (PC), no necesariamente de última generación, equipado básicamente con unidades CD/DVD, puertos USB y tarjeta de sonido con sus debidos micrófonos y salidas de audio stereo para conectar hacia la entrada del modulador FM, parlantes amplificados y audífonos.

Futuramente complementar el Mini-Estudio incorporando:

1) Tarjeta capturadora de video y sonido, equipada de sintonizadores TV y FM para retransmitir programas, cadenas nacionales (o similares) provenientes desde otras emisoras FM y televisoras.  Acoplar audio proveniente desde dispositivos audiovisuales, cámaras, video-Tape, DVD, VHS, etc.

2) Internet para transmitir radio vía WEB. Relevar audio hacia la estación transmisora, en especial cuando se cubren eventos remotos.  Retransmitir señales de voz y desde otras emisoras WEB. Operar la radio vía escritorio remoto.

3)  Modem Telefónico (transmitir información vía telefónica en vivo. Recibir o transmitir fax y mensajería de texto.  Igualmente permite operar la radio vía escritorio remoto).

4)  Es aconsejable adicionar un micrófono auxiliar, debidamente pre-amplificado, mediante un interruptor tipo selector de dos fases y dos posiciones, el cual permita deshabilitar la señal de audio proveniente desde el mini-estudio, en caso que falle el ordenador personal.

MODULADOR FM

Para facilitar la construcción del transmisor FM y evitar circuitería electrónica compleja (sin perder excelencia y calidad), es posible generar la señal RF desde dispositivos moduladores FM 4 en 1 para vehículos, los cuales transmiten señal RF de baja potencia (aproximadamente 1.5 metros distante del equipo reproductor) en rango FM comercial (88 MHz - 108 MHz) y audio stereo. Típicamente se alimentan desde el conector para encender cigarrillos, están equipados de entradas digitales MP3 (USB para pendrive y ranuras para tarjetas de memorias), entrada de audio stereo analógico (conector para Ipods,  teléfonos celulares reproductores de música y otros reproductores MP3, etc.), displays para indicación de frecuencia y carpetas del MP3, teclado local, control remoto a pilas, etc. El modulador FM 4 en 1 reemplazaría la construcción de las etapas:

1)      Osciladora de RF, con estabilizador de frecuencia.

2)      Divisor programable de frecuencias, con circuito PLL e indicación en displays.

3)      Circuitos de modulación de audio stereo.

Para la adquisición del modulador FM, es importante que esté equipado con entrada de audio analógico stereo. En el mercado existen moduladores FM exclusivamente MP3, los cuales no incluyen entradas analógicas (fotografía siguiente Izquierda). Es posible usar moduladores FM puramente analógicos (fotografía central), pero limitarían muchas bondades en la Mini-emisora, en especial el rango de frecuencias y menú para ajustes. En la fotografía derecha se muestra un ejemplo de tipo de modulador 4 en 1 sugerido.

MODULADOR FM

Dentro del mismo modulador FM existe una pequeña antena que generalmente es un cable, líneas en el circuito impreso o similar. Allí será necesario adaptar el cable coaxial para tomar la señal RF, mediante un conector hembra o directamente.

Al culminar la adaptación en el modulador FM, es posible transmitir señal FM de cobertura pobre (de 2 a 8 metros), o instalar la antena definitiva para comprobar funcionamiento con cobertura hasta cientos de metros. Las fotografías siguientes muestran un ejemplo de adaptación en modulador de entrada analógica y primeras pruebas:

FUENTES DE PODER DC

Es posible usar fuentes de poder para PC (fotografía siguiente de la izquierda), donde:

1.      +12 VDC = cables de colores amarillos.

2.      +5 VDC  = cables de colores rojos.

3.      Negativos = cables negros.

4.      Para encenderla = conectar el cable de color verde con cualquier cable negro.

La mayoría de moduladores FM 4 en 1 se alimentan con 12 VDC provenientes desde el encendedor para cigarrillos del automóvil, pero generalmente en su interior incluyen un circuito integrado regulador de +5 voltios DC, el cual no dispone de aluminio disipador de calor (fotografía anterior derecha). Para evitar fallas, es conveniente eliminarlo y alimentar al modulador desde una fuente de poder externa de 5 VDC.

En el diagrama siguiente se muestra un circuito de fuente de poder con 2 salidas de voltajes, la cual permite alimentar el modulador FM con +5 VDC fijos (o regulador para +12 voltios LM7812) y alimentar las etapas amplificadoras RF con voltaje ajustable desde +6 VDC hasta +18 VDC, permitiendo controlar la potencia RF de salida en el transmisor:

CONSTRUCCIÓN DEL VATÍMETRO PARA RF Y CARGA FICTICIA

Para ajustes en el transmisor es necesario disponer de un medidor de potencia RF, con escala apreciable para 2.5 Watts, o en su lugar construir un instrumento para monitorear dichos ajustes y comprobar amplificación RF del transmisor FM.

El circuito indicador de salida RF de la gráfica anterior, se construye con cualquier galvanómetro (G1) disponible (puede ser un mili-voltímetro analógico), los diodos D1 y D2 deberían ser de germanio, para este caso se usaron diodos comunes de silicio (1N4148 disponibles en la mayoría de tarjetas y circuitos de desecho). De no disponer de antena para ajustes en el transmisor, es posible usar una carga ficticia de 50 Ω ó 47 Ω (resistencia de carbón). En la fotografía derecha se muestra un arreglo serie-paralelo de resistencias, configuración que permite soportar mayores potencias RF. 

 

PRIMER AMPLIFICADOR RF

El siguiente circuito amplificador incrementa la potencia RF proveniente desde el modulador FM, con el propósito de aumentar cobertura efectiva unos cientos de metros y hasta casi un Kilómetro en línea recta.

El circuito se puede montar en bakelita troquelada (circuito impreso universal, o baquelita troquelada). Los materiales usados no necesariamente deben ser tan perfectos o del valor exacto indicado. En caso de no disponer de capacitores variables con valores sugeridos, es posible compensar modificando ligeramente el número de espiras en las bobinas L3 y L4. Nota: la bobina L1, indicada en la fotografía izquierda, se recortó el núcleo de ferrita y solo 7 espiras.

En el proceso de ensamblaje del transmisor, es necesario agregar suficientes puntos de masa (tierra), debidamente interconectados entre ellos y al chasis. En la fotografía anterior izquierda se aprecian puntos de masa, conectados al chasis por medio de uno de los tornillos que fijan el circuito hacia los negativos (cables blancos) de los 13.8 VDC y hacia las mallas de los cables coaxiales ubicados en regletas de entrada y salida RF del primer amplificador RF (cable color verde).

SEGUNDO AMPLIFICADOR RF

De requerir mayor potencia RF (de 1 a 2.5 Watts) y cobertura, es necesario adicionar una segunda etapa amplificadora RF. En la WEB se ubican circuitos con transistores similares y de mayores potencias (hasta 3 Watts), con el defecto de posibles daños en el transistor al realizar ajustes, ROE o fallas en la antena. Para solventar, al igual que en los circuitos anteriores, para minimizar problemas de Impedancias y mayor confiabilidad, se ha incorporado resistencia en el emisor en el transistor TR1 (R3 = 33 Ω. Igualmente se puede reducir el valor o eliminar, pero la diferencia en potencia de salida es despreciable, en comparación con los posibles daños y problemas).

La resistencia R2 y la bobina de choke CH-RF conforman un mismo conjunto, que consiste en enrollar aproximadamente 20 espiras de alambre de cobre esmaltado (lo más delgado posible), sobre la misma resistencia R2.

En un mismo circuito impreso se pueden construir las dos etapas amplificadoras RF, particularmente se sugiere construirlas y probarlas por separado:

ENSAMBLAR EL TRANSMISOR Y DIAGRAMAS

Preferiblemente ensamblar el transmisor FM en caja metálica. Es posible reciclar cajas de equipos de sonidos obsoletos o desincorporados por daños (DVD, VHS, Deck de cassette, amplificadores, etc.) y aprovechar muchos de sus componentes (fuente de poder, circuito impreso, botones y controles del panel, conectores, galvanómetros o indicadores de barras, cordón de alimentación, etc.). En las fotografías siguientes se aprecian ejemplos:

DIAGRAMA DEL TRANSMISOR

EJEMPLO DE CIRCUITOS ADICIONALES

ANTENAS PARA INICIAR TRANSMISIÓN

La imagen siguiente muestra un ejemplo de sistema de antena típico en emisoras FM, compuesto básicamente de un arreglo de antena colineal de 4 dipolos (Elementos Driven), montados en una torre de aluminio de 6 tramos (3 metros cada uno, total 18 metros de altura), donde cada anclaje soporta vientos para 2 tramos. El pararrayos se conecta hacía la toma de tierra mediante un cable de cobre suficientemente grueso. El cableado que conforma el arnés del arreglo colineal, hace posible que sea igual la longitud de línea coaxial, desde el transmisor, hasta cada Elemento Driven que conforma el arreglo de antena (conectados en fase). 

Para iniciar pruebas, es posible construir la antena con uno o varios elementos de 1/2 λ, debido a que se soportan desde el centro de los mismos y provisionalmente permiten montar en ventana, balcón o tubo mástil. Las siguientes imágenes explicativas, detallan la construcción artesanal de un ELEMENTO DRIVEN DE 1/2 λ, CON SU RESPECTIVO ADAPTADOR GANMA-MATCHIG (enlace = https://yy5rm.blogspot.com/2011/10/dipolo-doble- ):

ANTENA SLIM-JIM

La Slim-Jim es una antena de última generación, bajo costo, resistente a la intemperie (protegidas dentro de tuberías PVC), sencilla de construir, probada y utilizada por Radioaficionados en bandas VHF y UHF, pero en este caso adaptada para frecuencias 88 MHz – 108 MHz. Eléctricamente consiste en una antena de 1/2 λ, la cual es atacada (acoplada) mediante un adaptador stub de 1/4 λ, es decir, la longitud total de la antena es 3/4 λ. En este caso se construye con alambre de cobre desnudo o esmaltado, en forma plegada y protegido dentro de tuberías PVC de plomería liviana (2 pulgadas de diámetro). Es posible montarla en tubo mástil de hierro u otro mismo tubo PVC de plomería reforzada. Con 1 Watt RF, la Slim-Jim bien ubicada pudiera superar los 5 Kilómetros de cobertura efectiva, además sirve de referencia futura al reemplazar por antenas comerciales y si los resultados no la superan, algo debe haber quedado mal instalado o dicha futura  antena no tiene suficiente ganancia.  A continuación imágenes explicativas:

ANTENA DOBLE BAZOOKA PARA BALCÓN, VENTANA O MÁSTIL

La antena Doble Bazooka para VHF representa otra posibilidad de economía. Igualmente es de 1/2 λ (L1 en la gráfica siguiente), básicamente se construye con el mismo cable coaxial e igualmente protegida dentro de tuberías PVC. Las longitudes dependen del material aislante interno del tipo de cable coaxial usado como antena. Para RG8/U, RG213, RG58/U, o equivalentes, con aislantes internos de espuma de teflón (foam), la velocidad de propagación (V.P) es 0.82. Comercialmente existen otros dos tipos: El de aislante de polietileno con V.P.=0.66 (aislante transparente) y el aislante de teflón sólido con V.P.=0.70. Seguidamente imágenes explicativas para cable coaxial RG58/U:

ANTENA DIPOLO PLEGADO

Entrada aun sin culminar, temporalmente se sugiere descargar el archivo (igualmente es posible descargarlo desde https://www.qrz.com/db/YY5RM ):

Enlaces para descargar el archivo (16-10-2018): https://www.dropbox.com/s/5b08evwvdh0inx3/EMISORA%20FM%20DE%20CORTO%20ALCANCE.pdf?dl=0

(16-10-2018):
https://documentcloud.adobe.com/link/review?uri=urn:aaid:scds:US:0960fdc1-d86d-4b1b-8d23-dc7ffe9d5c11