En ingeniería de radio y telecomunicaciones , la relación de ondas estacionarias ( SWR ) es una medida de la adaptación de impedancia de las cargas a la impedancia característica de una línea de transmisión o guía de ondas . Los desajustes de impedancia dan como resultado ondas estacionarias a lo largo de la línea de transmisión, y la SWR se define como la relación entre la amplitud de la onda estacionaria parcial en un antinodo (máximo) y la amplitud en un nodo (mínimo) a lo largo de la línea.
La relación de onda estacionaria de tensión (VSWR) (pronunciada "vizwar" [1] [2] ) es la relación entre la tensión máxima y mínima en una línea de transmisión. Por ejemplo, una VSWR de 1,2 significa una tensión pico 1,2 veces la tensión mínima a lo largo de esa línea, si la línea tiene al menos la mitad de la longitud de onda.
La ROE también se puede definir como la relación entre la amplitud máxima y la amplitud mínima de las corrientes de la línea de transmisión , la intensidad del campo eléctrico o la intensidad del campo magnético. Si se ignoran las pérdidas de la línea de transmisión, estas relaciones son idénticas.
La relación de onda estacionaria de potencia ( PSWR ) se define como el cuadrado de la VSWR, [3] sin embargo, este término en desuso no tiene una relación física directa con la potencia realmente involucrada en la transmisión.
La ROE se mide generalmente utilizando un instrumento específico llamado medidor de ROE . Dado que la ROE es una medida de la impedancia de carga en relación con la impedancia característica de la línea de transmisión en uso (que juntas determinan el coeficiente de reflexión como se describe a continuación), un medidor de ROE determinado puede interpretar la impedancia que ve en términos de ROE solo si ha sido diseñado para la misma impedancia característica particular que la línea. En la práctica, la mayoría de las líneas de transmisión utilizadas en estas aplicaciones son cables coaxiales con una impedancia de 50 o 75 ohmios , por lo que la mayoría de los medidores de ROE corresponden a uno de estos.
La comprobación de la ROE es un procedimiento estándar en una estación de radio. Aunque se podría obtener la misma información midiendo la impedancia de la carga con un analizador de impedancia (o "puente de impedancia"), el medidor de ROE es más sencillo y robusto para este fin. Al medir la magnitud del desajuste de impedancia en la salida del transmisor, revela problemas debidos a la antena o a la línea de transmisión.
La ROE se utiliza como medida de adaptación de impedancia de una carga a la impedancia característica de una línea de transmisión que transporta señales de radiofrecuencia (RF). Esto se aplica especialmente a las líneas de transmisión que conectan transmisores y receptores de radio con sus antenas , así como a usos similares de cables de RF, como conexiones de televisión por cable a receptores de TV y amplificadores de distribución . La adaptación de impedancia se logra cuando la impedancia de la fuente es el conjugado complejo de la impedancia de carga. La forma más fácil de lograr esto, y la forma que minimiza las pérdidas a lo largo de la línea de transmisión, es que la parte imaginaria de la impedancia compleja tanto de la fuente como de la carga sea cero, es decir, resistencias puras, iguales a la impedancia característica de la línea de transmisión. Cuando hay un desajuste entre la impedancia de carga y la línea de transmisión, parte de la onda directa enviada hacia la carga se refleja de regreso a lo largo de la línea de transmisión hacia la fuente. La fuente ve entonces una impedancia diferente a la esperada, lo que puede provocar que suministre menos (o en algunos casos, más) potencia, siendo el resultado muy sensible a la longitud eléctrica de la línea de transmisión.
Este tipo de desajuste no suele ser deseable y da lugar a ondas estacionarias a lo largo de la línea de transmisión, lo que aumenta las pérdidas de la línea de transmisión (de manera significativa en frecuencias más altas y para cables más largos). La ROE es una medida de la profundidad de esas ondas estacionarias y, por lo tanto, es una medida de la adaptación de la carga a la línea de transmisión. Una carga adaptada daría lugar a una ROE de 1:1, lo que implica que no hay ondas reflejadas. Una ROE infinita representa una reflexión completa por parte de una carga incapaz de absorber energía eléctrica, con toda la energía incidente reflejada de vuelta hacia la fuente.
Debe entenderse que la correspondencia de una carga con la línea de transmisión es diferente de la correspondencia de una fuente con la línea de transmisión o de la correspondencia de una fuente con la carga vista a través de la línea de transmisión. Por ejemplo, si hay una correspondencia perfecta entre la impedancia de carga Z carga y la impedancia de la fuente Z fuente = Z * carga , esa correspondencia perfecta se mantendrá si la fuente y la carga están conectadas a través de una línea de transmisión con una longitud eléctrica de media longitud de onda (o un múltiplo de media longitud de onda) utilizando una línea de transmisión de cualquier impedancia característica Z 0 . Sin embargo, la ROE generalmente no será 1:1, dependiendo solo de Z carga y Z 0 . Con una longitud diferente de línea de transmisión, la fuente verá una impedancia diferente a Z carga que puede o no ser una buena correspondencia con la fuente. A veces esto es deliberado, como cuando se utiliza una sección de correspondencia de cuarto de onda para mejorar la correspondencia entre una fuente y una carga que de otro modo no coincidirían.
Sin embargo, las fuentes de RF típicas, como transmisores y generadores de señales, están diseñadas para analizar una impedancia de carga puramente resistiva, como 50 Ω o 75 Ω, correspondiente a las impedancias características de las líneas de transmisión comunes. En esos casos, hacer coincidir la carga con la línea de transmisión, Z load = Z 0 , siempre garantiza que la fuente verá la misma impedancia de carga que si la línea de transmisión no estuviera allí. Esto es idéntico a una ROE de 1:1. Esta condición ( Z load = Z 0 ) también significa que la carga vista por la fuente es independiente de la longitud eléctrica de la línea de transmisión. Dado que la longitud eléctrica de un segmento físico de la línea de transmisión depende de la frecuencia de la señal, la violación de esta condición significa que la impedancia vista por la fuente a través de la línea de transmisión se convierte en una función de la frecuencia (especialmente si la línea es larga), incluso si Z load es independiente de la frecuencia. Entonces, en la práctica, una buena ROE (cerca de 1:1) implica que la salida de un transmisor ve la impedancia exacta que espera para un funcionamiento óptimo y seguro.
El componente de voltaje de una onda estacionaria en una línea de transmisión uniforme consiste en la onda directa (con amplitud compleja ) superpuesta a la onda reflejada (con amplitud compleja ).
Una onda se refleja parcialmente cuando una línea de transmisión termina con una impedancia distinta a su impedancia característica . El coeficiente de reflexión se puede definir como:
o
es un número complejo que describe tanto la magnitud como el desplazamiento de fase de la reflexión. Los casos más simples medidos en la carga son:
La ROE corresponde directamente a la magnitud de .
En algunos puntos a lo largo de la línea las ondas delanteras y reflejadas interfieren de manera constructiva, exactamente en fase, con la amplitud resultante dada por la suma de las amplitudes de esas ondas:
En otros puntos, las ondas interfieren 180° fuera de fase y las amplitudes se cancelan parcialmente:
La relación de ondas estacionarias de voltaje es entonces
Dado que la magnitud de siempre cae en el rango [0,1], la ROE es siempre mayor o igual a la unidad. Nótese que la fase de V f y V r varían a lo largo de la línea de transmisión en direcciones opuestas entre sí. Por lo tanto, el coeficiente de reflexión de valor complejo también varía, pero solo en fase. Con la ROE dependiendo solo de la magnitud compleja de , se puede ver que la ROE medida en cualquier punto a lo largo de la línea de transmisión (despreciando las pérdidas de la línea de transmisión) obtiene una lectura idéntica.
Dado que la potencia de las ondas directas y reflejadas es proporcional al cuadrado de los componentes de voltaje debidos a cada onda, la ROE se puede expresar en términos de potencia directa y reflejada:
Al muestrear la tensión y la corriente complejas en el punto de inserción, un medidor de ROE puede calcular las tensiones directas y reflejadas efectivas en la línea de transmisión para la impedancia característica para la que se diseñó el medidor de ROE. Dado que la potencia directa y reflejada está relacionada con el cuadrado de las tensiones directas y reflejadas, algunos medidores de ROE también muestran la potencia directa y reflejada.
En el caso especial de una carga R L , que es puramente resistiva pero desigual a la impedancia característica de la línea de transmisión Z 0 , la ROE se da simplemente por su relación:
con la razón o su recíproco se elige para obtener un valor mayor que la unidad.
Utilizando una notación compleja para las amplitudes de voltaje, para una señal en la frecuencia f , los voltajes reales V actual en función del tiempo t se entienden relacionados con los voltajes complejos de acuerdo con:
Así, tomando la parte real de la cantidad compleja dentro del paréntesis, el voltaje real consiste en una onda sinusoidal a frecuencia f con una amplitud pico igual a la magnitud compleja de V , y con una fase dada por la fase del complejo V . Entonces, con la posición a lo largo de una línea de transmisión dada por x , con la línea terminando en una carga ubicada en x o , las amplitudes complejas de las ondas directa e inversa se escribirían como:
para alguna amplitud compleja A (correspondiente a la onda hacia adelante en x o que algunos tratamientos usan fasores donde la dependencia del tiempo es de acuerdo con y la dependencia espacial (para una onda en la dirección +x ) de Cualquiera de las dos convenciones obtiene el mismo resultado para V real .
Según el principio de superposición, el voltaje neto presente en cualquier punto x de la línea de transmisión es igual a la suma de los voltajes debidos a las ondas directas y reflejadas:
Como nos interesan las variaciones de la magnitud de V net a lo largo de la línea (como función de x ), resolveremos en cambio la magnitud al cuadrado de esa cantidad, lo que simplifica las matemáticas. Para obtener la magnitud al cuadrado, multiplicamos la cantidad anterior por su conjugado complejo:
Dependiendo de la fase del tercer término, los valores máximo y mínimo de V net (la raíz cuadrada de la cantidad en las ecuaciones) son y respectivamente, para una relación de ondas estacionarias de:
como se afirmó anteriormente. A lo largo de la línea, se ve que la expresión anterior para oscila sinusoidalmente entre y con un período de 2π /2k . Esta es la mitad de la longitud de onda guiada λ = 2π / a para la frecuencia f . Esto puede verse como debido a la interferencia entre dos ondas de esa frecuencia que viajan en direcciones opuestas .
Por ejemplo, a una frecuencia f = 20 MHz (longitud de onda en el espacio libre de 15 m) en una línea de transmisión cuyo factor de velocidad es 0,67, la longitud de onda guiada (distancia entre picos de voltaje de la onda directa solamente) sería λ = 10 m. En los casos en que la onda directa en x = 0 está en fase cero (voltaje pico), entonces en x = 10 m también estaría en fase cero, pero en x = 5 m estaría en fase 180° (voltaje pico negativo ). Por otro lado, la magnitud del voltaje debido a una onda estacionaria producida por su adición a una onda reflejada, tendría una longitud de onda entre picos de solo 1/2 λ = 5 m . Dependiendo de la ubicación de la carga y la fase de reflexión, podría haber un pico en la magnitud de V net en x = 1,3 m . Luego se encontraría otro pico donde | V net | = V max en x = 6,3 m , mientras que encontraría mínimos de la onda estacionariaen x = 3,8 m, 8,8 m, etc.
El caso más común para medir y examinar la ROE es cuando se instalan y sintonizan antenas de transmisión . Cuando un transmisor está conectado a una antena mediante una línea de alimentación , la impedancia del punto de excitación de la antena debe coincidir con la impedancia característica de la línea de alimentación para que el transmisor vea la impedancia para la que fue diseñado (la impedancia de la línea de alimentación, generalmente 50 o 75 ohmios).
La impedancia de un diseño de antena en particular puede variar debido a una serie de factores que no siempre se pueden identificar con claridad. Esto incluye la frecuencia del transmisor (en comparación con el diseño de la antena o la frecuencia de resonancia ), la altura de la antena sobre el suelo y la calidad del mismo, la proximidad a grandes estructuras metálicas y las variaciones en el tamaño exacto de los conductores utilizados para construir la antena. [5] (pág. 20.2)
Cuando una antena y una línea de alimentación no tienen impedancias coincidentes, el transmisor ve una impedancia inesperada, donde podría no ser capaz de producir su potencia total, e incluso puede dañar el transmisor en algunos casos. [5] (pp19.4–19.6) La potencia reflejada en la línea de transmisión aumenta la corriente promedio y, por lo tanto, las pérdidas en la línea de transmisión en comparación con la potencia realmente entregada a la carga. [6] Es la interacción de estas ondas reflejadas con las ondas hacia adelante lo que causa patrones de ondas estacionarias, [5] (pp19.4–19.6) con las repercusiones negativas que hemos notado. [5] (p19.13)
En ocasiones, la adaptación de la impedancia de la antena a la impedancia de la línea de alimentación se puede lograr ajustando la propia antena, pero también es posible hacerlo con un sintonizador de antena , un dispositivo de adaptación de impedancia. La instalación del sintonizador entre la línea de alimentación y la antena permite que la línea de alimentación tenga una carga cercana a su impedancia característica, mientras que envía la mayor parte de la potencia del transmisor (una pequeña cantidad puede disiparse dentro del sintonizador) para que sea radiada por la antena a pesar de su impedancia de punto de alimentación, que de otro modo sería inaceptable. La instalación de un sintonizador entre el transmisor y la línea de alimentación también puede transformar la impedancia observada en el extremo del transmisor de la línea de alimentación en una preferida por el transmisor. Sin embargo, en este último caso, la línea de alimentación todavía tiene una ROE alta presente, con las mayores pérdidas resultantes de la línea de alimentación sin mitigar.
La magnitud de esas pérdidas depende del tipo de línea de transmisión y de su longitud. Siempre aumentan con la frecuencia. Por ejemplo, una determinada antena utilizada lejos de su frecuencia de resonancia puede tener una ROE de 6:1. Para una frecuencia de 3,5 MHz, con esa antena alimentada a través de 75 metros de cable coaxial RG-8A, la pérdida debido a las ondas estacionarias sería de 2,2 dB. Sin embargo, el mismo desajuste de 6:1 a través de 75 metros de cable coaxial RG-8A incurriría en una pérdida de 10,8 dB a 146 MHz. [5] (pp19.4–19.6) Por lo tanto, una mejor adaptación de la antena a la línea de alimentación, es decir, una ROE más baja, se vuelve cada vez más importante con el aumento de la frecuencia, incluso si el transmisor puede acomodar la impedancia observada (o se utiliza un sintonizador de antena entre el transmisor y la línea de alimentación).
Ciertos tipos de transmisiones pueden sufrir otros efectos negativos a causa de las ondas reflejadas en una línea de transmisión. La televisión analógica puede experimentar "fantasmas" a causa de las señales retrasadas que rebotan de un lado a otro en una línea larga. La FM estéreo también puede verse afectada y las señales digitales pueden experimentar pulsos retrasados que provoquen errores de bits. Siempre que los tiempos de retardo de una señal que retrocede y sube de nuevo por la línea sean comparables a las constantes de tiempo de modulación, se producen efectos. Por este motivo, estos tipos de transmisiones requieren una ROE baja en la línea de alimentación, incluso si la pérdida inducida por ROE puede ser aceptable y la adaptación se realiza en el transmisor.
Se pueden utilizar muchos métodos diferentes para medir la relación de ondas estacionarias. El método más intuitivo utiliza una línea ranurada , que es una sección de la línea de transmisión con una ranura abierta que permite que una sonda detecte el voltaje real en varios puntos a lo largo de la línea. [7]
De esta manera, se pueden comparar directamente los valores máximo y mínimo. Este método se utiliza en VHF y frecuencias superiores. En frecuencias inferiores, estas líneas son poco prácticas.
Los acopladores direccionales se pueden utilizar en frecuencias de alta frecuencia (HF) a microondas. Algunos tienen una longitud de un cuarto de onda o más, lo que restringe su uso a las frecuencias más altas. Otros tipos de acopladores direccionales muestrean la corriente y el voltaje en un único punto de la ruta de transmisión y los combinan matemáticamente de tal manera que representan la potencia que fluye en una dirección. [8] El tipo común de medidor de potencia/ROE utilizado en la operación de radioaficionado puede contener un acoplador direccional dual. Otros tipos utilizan un solo acoplador que se puede girar 180 grados para muestrear la potencia que fluye en cualquier dirección. Los acopladores unidireccionales de este tipo están disponibles para muchos rangos de frecuencia y niveles de potencia y con valores de acoplamiento apropiados para el medidor analógico utilizado.
La potencia directa y reflejada medida por acopladores direccionales se puede utilizar para calcular la ROE. Los cálculos se pueden realizar matemáticamente en forma analógica o digital o utilizando métodos gráficos integrados en el medidor como una escala adicional o leyendo desde el punto de cruce entre dos agujas en el mismo medidor. Los instrumentos de medición anteriores se pueden utilizar "en línea", es decir, la potencia total del transmisor puede pasar a través del dispositivo de medición para permitir el monitoreo continuo de la ROE. Otros instrumentos, como analizadores de red, acopladores direccionales de baja potencia y puentes de antena utilizan baja potencia para la medición y deben conectarse en lugar del transmisor. Los circuitos de puente se pueden utilizar para medir directamente las partes reales e imaginarias de una impedancia de carga y utilizar esos valores para derivar la ROE. Estos métodos pueden proporcionar más información que solo la ROE o la potencia directa y reflejada. [9] Los analizadores de antena independientes utilizan varios métodos de medición y pueden mostrar la ROE y otros parámetros graficados contra la frecuencia. Al utilizar acopladores direccionales y un puente en combinación, es posible hacer un instrumento en línea que lea directamente en impedancia compleja o en ROE. [10] También hay disponibles analizadores de antena independientes que miden múltiples parámetros.
El término relación de ondas estacionarias de potencia (PSWR) se define a veces como el cuadrado de la relación de ondas estacionarias de voltaje. El término se cita con frecuencia como "engañoso". [11]
La expresión "relación de potencia-onda estacionaria", que a veces puede encontrarse, es aún más engañosa, ya que la distribución de potencia a lo largo de una línea sin pérdidas es constante. ...
— J. H. Gridley (2014) [12]
Sin embargo, corresponde a un tipo de medición de ROE utilizando lo que anteriormente era un instrumento de medición estándar en frecuencias de microondas, la línea ranurada . La línea ranurada es una guía de ondas (o línea coaxial llena de aire) en la que se coloca una pequeña antena de detección que forma parte de un detector de cristal o detector en el campo eléctrico de la línea. El voltaje inducido en la antena se rectifica mediante un diodo de contacto puntual (rectificador de cristal) o un diodo de barrera Schottky que está incorporado en el detector. Estos detectores tienen una salida de ley cuadrática para niveles bajos de entrada. Por lo tanto, las lecturas correspondían al cuadrado del campo eléctrico a lo largo de la ranura, E 2 ( x ), con lecturas máximas y mínimas de E 2 max y E 2 min encontradas a medida que la sonda se mueve a lo largo de la ranura. La relación de estos produce el cuadrado de la ROE, el llamado PSWR. [13]
Esta técnica de racionalización de términos está plagada de problemas. [ aclaración necesaria ] El comportamiento de la ley cuadrática del diodo detector se exhibe solo cuando el voltaje a través del diodo está por debajo del codo del diodo. Una vez que el voltaje detectado excede el codo, la respuesta del diodo se vuelve casi lineal. En este modo, el diodo y su condensador de filtrado asociado producen un voltaje que es proporcional al pico del voltaje muestreado. El operador de un detector de este tipo no tendría una indicación inmediata en cuanto al modo en el que está operando el diodo detector y, por lo tanto, diferenciar los resultados entre SWR o el llamado PSWR no es práctico. Quizás aún peor, es el caso común donde el voltaje mínimo detectado está por debajo del codo y el voltaje máximo está por encima del codo. En este caso, los resultados calculados son en gran medida insignificantes. Por lo tanto, los términos PSWR y relación de onda estacionaria de potencia están obsoletos y deben considerarse solo desde una perspectiva de medición heredada.
La ROE también puede tener un impacto negativo en el rendimiento de las aplicaciones médicas basadas en microondas. En la electrocirugía por microondas, una antena que se coloca directamente en el tejido puede no siempre tener una correspondencia óptima con la línea de alimentación, lo que da como resultado una ROE. La presencia de ROE puede afectar a los componentes de monitoreo utilizados para medir los niveles de potencia, lo que afecta la confiabilidad de dichas mediciones. [14]
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