Antena colinear coaxial (CoCo) para MeshCore em 915 MHz: como fazer a sua

Quem monta o primeiro repetidor MeshCore costuma passar pela mesma cena: o nó está configurado, a bateria aguenta, o painel solar carrega — e a mensagem simplesmente não chega ao vizinho do outro lado do bairro. Na maioria das vezes o culpado não é o rádio nem o firmware. É aquela anteninha de borracha que veio na caixa, com ganho próximo de 2 dBi e muitas vezes sintonizada em outra frequência.

Neste artigo você vai construir, com pedaços de cabo coaxial e um tubo de PVC, uma antena colinear coaxial — a famosa CoCo (Coaxial Collinear) — calculada para a frequência usada pela comunidade MeshCore no Brasil. O projeto parte do método publicado pelo site 3G-Aerial, originalmente pensado para Wi-Fi, e o traz para os nossos 923,125 MHz, com as medidas já calculadas, a lista de materiais, uma calculadora para outras configurações e o ajuste final com NanoVNA.

Custa pouco, cabe numa tarde de bancada e pode render de 5 a 8 dBi no horizonte — o bastante para transformar um nó “que quase fala” num repetidor que segura o enlace.

COMO FUNCIONA A COLINEAR COAXIAL

Uma antena colinear é, no fundo, uma pilha de dipolos de meia onda empilhados na vertical, todos alimentados em fase. Cada dipolo soma sua contribuição à dos vizinhos, e o resultado é uma antena omnidirecional que concentra a energia no plano do horizonte, em vez de desperdiçá-la para o céu e para o chão. É essa compressão do lóbulo vertical que aparece como ganho.

O truque da versão coaxial é obter a inversão de fase sem bobinas nem linhas de defasagem externas. Dentro do cabo, a onda viaja mais devagar que no ar — o quanto mais devagar é dado pelo fator de velocidade (VF) do dielétrico. Um trecho de cabo com meio comprimento de onda elétrico inverte a fase do sinal. Se, na emenda entre dois trechos, você cruzar as ligações — o condutor central de um vai na malha do seguinte, e a malha de um vai no central do seguinte —, essa inversão é desfeita do lado de fora, e as correntes que irradiam pela superfície externa das malhas ficam todas no mesmo sentido.

Por que isso interessa ao MeshCore? Porque a rede depende de repetidores que enxerguem longe e em todas as direções, e o LoRa trabalha com sinais muito fracos, perto do piso de ruído. Cada 6 dB a mais no enlace dobram, em espaço livre, a distância alcançável. Uma colinear bem feita entrega boa parte disso sem gastar um miliwatt a mais de potência no rádio — e, ao contrário do amplificador, ainda melhora a recepção.

A FREQUÊNCIA QUE MANDA NO PROJETO

Todo o cálculo de uma colinear gira em torno de uma única frequência, porque os trechos de cabo são cortados para ela. No Brasil, o MeshCore opera na faixa de 915–928 MHz, e a comunidade convencionou os seguintes valores de referência (detalhados no nosso artigo sobre configuração do MeshCore):

Repare na largura de banda: 62,5 kHz é uma fatia minúscula perto dos 13 MHz da faixa. Isso é ótimo para nós, porque a CoCo é uma antena de banda relativamente estreita — e quanto mais segmentos, mais estreita fica. Basta que ela esteja bem centrada em 923,125 MHz.

Dois cuidados antes de cortar o primeiro cabo. Primeiro, o hardware precisa ser da versão de 915 MHz; nenhum firmware transforma um módulo de 868 MHz em um de 915 MHz (veja como identificar a sua placa). Segundo, ganho de antena também conta para a Anatel. Os equipamentos dessa faixa seguem as regras de radiação restrita (Ato nº 14.448/2017), e o limite real é sobre a potência efetivamente irradiada — rádio, menos perdas do cabo, mais ganho da antena. Uma colinear de 8 dBi somada aos 22 dBm do preset já dá cerca de 30 dBm de EIRP. Se o seu nó tem amplificador, faça essa conta antes de subir a antena para a torre.

CÁLCULO DAS DIMENSÕES

O ponto de partida é o comprimento de onda no espaço livre. Em 923,125 MHz: λ = c / f = 299.792.458 / 923.125.000 ≈ 324,8 mm.

Cada segmento irradiante precisa ter meia onda dentro do cabo, ou seja, meia onda multiplicada pelo fator de velocidade: L = (λ / 2) × VF.

Com isso, o projeto tem três medidas-chave: o segmento coaxial, o elemento de topo (um quarto de onda em fio, com correção de cerca de 5% pelo efeito de ponta, ≈ 77 mm) e a luva de desacoplamento na base (também ≈ 77 mm). A tabela traz o segmento para os cabos mais comuns:

O VF varia de fabricante para fabricante, sobretudo nos cabos de espuma. Sempre que puder, confira no datasheet do rolo que você tem em mãos — ou meça com o NanoVNA, cortando um trecho de prova.

E por que tanto rigor? Porque em 923 MHz a margem é cruel: 1 mm de erro num segmento de 107 mm desloca a ressonância daquele trecho em cerca de 8,5 MHz. Com oito segmentos errando para o mesmo lado, o lóbulo principal se inclina para cima ou para baixo, e o ganho no horizonte vai embora. Use paquímetro, não trena.

Quantos segmentos usar? Quatro segmentos são o melhor custo-benefício para quem está começando, na casa de 5 a 6 dBi e menos de meio metro de antena com RG-58. Oito segmentos podem chegar a 7–8 dBi, mas o ganho cresce cada vez menos a cada par acrescentado, a banda estreita e o lóbulo fica fino. Em topo de morro ou torre alta, um lóbulo muito estreito pode passar por cima dos nós que estão logo abaixo — às vezes a antena “menor” atende melhor.

CALCULADORA ANTENA ATIVA

Vai usar outro cabo, outra frequência ou outro número de segmentos? A calculadora abaixo refaz todas as medidas na hora, inclusive o tamanho de corte de cada pedaço e quanto cabo comprar.

LISTA DE MATERIAIS

Para a versão de 8 segmentos em RG-58, que é a que detalhamos a seguir:

• Cerca de 1,2 m de cabo RG-58 para os segmentos (sobra para errar um ou dois cortes).
• Cabo de descida de baixa perda (LMR-400 ou similar) no comprimento da sua instalação, com conector compatível com o rádio (N, SMA ou RP-SMA).
• 8 cm de fio rígido de cobre de 1,5 mm² para o elemento de topo.
• Tubo de latão ou fita de cobre para a luva de base, com diâmetro interno que deslize sobre o cabo de descida.
• 3 a 4 ferrites tipo clip-on próprios para UHF, para o cabo de descida.
• Tubo de PVC de 20 ou 25 mm, com cerca de 1,2 m, e duas tampas.
• Espaguete termocontrátil, espuma ou anéis de borracha para centralizar a antena no tubo.
• Silicone neutro (nunca o acético, que libera ácido e corrói o cobre).
• Ferro de solda de 40 W ou mais, solda, paquímetro, estilete e NanoVNA.

MONTAGEM PASSO A PASSO

A regra de ouro: o comprimento de 107,2 mm é medido de ponta a ponta da malha de cada segmento. O condutor central e o dielétrico ficam sobrando para fora, apenas para fazer a emenda.

1. Corte os segmentos. Corte oito pedaços de RG-58 com cerca de 120 mm. Em cada ponta, remova a capa e a malha por uns 6 mm, deixando o dielétrico e o condutor central expostos. Ao final, a malha deve medir exatamente 107,2 mm.
2. Prepare as pontas. Remova também o dielétrico por uns 4 mm, expondo o condutor central. Estanhe o central e a borda da malha — com a malha pré-estanhada, a solda da emenda sai rápida e não derrete o dielétrico.

3. Faça as emendas cruzadas. Encoste dois segmentos topo a topo, com um vão de 2 a 3 mm entre as malhas. Solde o central do primeiro na malha do segundo e o central do segundo na malha do primeiro. Isole a emenda com termocontrátil. Repita até unir os oito segmentos, mantendo sempre o mesmo vão: ele também entra na conta da fase.
4. Coloque o elemento de topo. No último segmento, solde o fio de cobre de 77 mm ao condutor central e deixe a malha dessa ponta solta, apenas isolada.
5. Ligue o cabo de descida. Na base, o cabo de descida se une ao primeiro segmento com a mesma emenda cruzada.
6. Instale a luva de base. Logo abaixo da emenda, deslize sobre o cabo de descida o tubo de latão (ou a fita de cobre enrolada) de 77 mm. Solde a ponta de cima da luva à malha do cabo de descida; a ponta de baixo fica aberta. Ela funciona como um balun de quarto de onda e impede que a corrente desça pela parte externa do cabo.
7. Acrescente os ferrites. Prenda os ferrites no cabo de descida logo abaixo da luva. Eles completam o trabalho do balun e evitam que o cabo vire parte da antena — algo que destrói o diagrama de irradiação.
8. Monte no radome. Centralize o conjunto dentro do tubo de PVC com anéis de espuma, sem deixar a antena encostar nas paredes. Feche as tampas com silicone neutro, deixando um pequeno furo de dreno na tampa de baixo para a condensação escoar.

O site 3G-Aerial mostra também uma forma de fazer a emenda sem soldar a luva; para 900 MHz, porém, a emenda soldada costuma dar resultado mais repetível.

AJUSTE COM NANOVNA E INSTALAÇÃO

Com a antena já dentro do tubo — o PVC é um dielétrico e puxa a ressonância para baixo, em geral alguns megahertz —, ligue o NanoVNA na ponta do cabo de descida e varra de 880 a 960 MHz. O alvo é a ROE (relação de ondas estacionárias) mínima em 923,125 MHz, abaixo de 1,5:1.

Se o mínimo cair abaixo da frequência desejada, a antena está eletricamente longa: encurte o elemento de topo de 1 em 1 mm. Se cair acima, ela está curta, e o caminho é refazer com o topo mais comprido. O topo é o único elemento que dá para ajustar sem desmontar tudo — por isso vale a pena começar com ele uns 3 mm mais longo e ir cortando.

Na instalação, o cabo de descida pesa tanto quanto a antena. O RG-58 perde em torno de 0,5 dB por metro nesta frequência: dez metros dele jogam fora cerca de 5 dB, quase todo o ganho que você acabou de construir. Mantenha o cabo curto ou use LMR-400, que perde cerca de um quarto disso. Melhor ainda é montar o nó junto da antena, no alto, com bateria e painel solar, e eliminar a descida.

Por fim, altura é ganho de graça. Uma colinear de 8 dBi a dois metros do telhado, cercada de caixas d’água e paredes, rende menos que uma antena comum livre no topo do mastro. Procure visada desobstruída e afaste a antena de estruturas metálicas por pelo menos meio metro.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

A colinear coaxial é daqueles projetos que ensinam muito por pouco dinheiro: em uma tarde você lida com fator de velocidade, fase, balun e casamento de impedância — e no fim tem uma antena que compete com modelos comerciais. Alguns cuidados fazem a diferença entre isso e uma frustração:

• Meça duas vezes, corte uma. O segmento errado por 1 mm compromete a antena inteira.
• Use o mesmo rolo de cabo para todos os segmentos; o VF muda de lote para lote.
• Nunca transmita sem antena ou com a antena desconectada durante os testes: o estágio de saída do rádio LoRa pode não sobreviver.
• Respeite a EIRP. Antena de alto ganho somada a rádio com amplificador pode ultrapassar o permitido para a faixa.
• Proteja contra descargas. Mastro em local alto pede aterramento e, de preferência, protetor coaxial na descida.
• Vede bem o radome. Umidade dentro do tubo desafina a antena e oxida as soldas em poucos meses de chuva e sol.

Quando sua CoCo estiver no alto do mastro, faça o teste que interessa: mande um advert e veja quantos repetidores novos aparecem na lista. É ali que a tarde de bancada se paga. Um forte 73 e boas mensagens pela malha!

REFERÊNCIAS

• 3G-Aerial — Collinear antenna (projeto original)
• Meshcore Brasil — Valores de referência do MeshCore no Brasil
• Mesh Sorocaba — Guia de configuração da rede MeshCore
• Anatel — Ato nº 14.448/2017 (equipamentos de radiação restrita)