Los desajustes de impedancia en las líneas de transmisión eléctrica de radiofrecuencia (RF) provocan pérdida de potencia y energía reflejada. La relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) es un método para medir las imperfecciones de la línea de transmisión. Este tutorial define VSWR y explica cómo calcularlo. Finalmente, se presenta un sistema de monitoreo de antena VSWR.
Definición y antecedentes
Se requiere la coincidencia de impedancia para que las líneas de transmisión sean de la más alta calidad. Esto asegura que la potencia entregada a través de la línea llegue a su destino con la misma fuerza. Sin embargo, en situaciones prácticas, las líneas de transmisión no son tan perfectas como cabría esperar. Una forma de medir la eficiencia de la línea es VSWR.
En los sistemas de transmisión eléctrica por radiofrecuencia (RF), la relación de onda estacionaria (SWR) es una medida de la eficiencia con la que se transfiere la potencia de RF desde una fuente a través de una línea de transmisión hasta una carga. Un ejemplo común es un amplificador de potencia conectado a una antena a través de una línea de transmisión.
Por lo tanto, SWR es la relación entre la onda transmitida y la onda reflejada. Una SWR alta indica una línea de transmisión de baja eficiencia y baja energía reflejada, lo que puede dañar el transmisor y reducir su eficiencia. Dado que SWR generalmente se refiere a la relación de voltaje, se conoce comúnmente como relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR).
VSWR y eficiencia del sistema
En un sistema ideal, el 100% de la energía se transfiere de la etapa de potencia a la carga. Esto requiere una coincidencia exacta entre la impedancia de la fuente (es decir, la impedancia característica de la línea de transmisión y todos sus conectores) y la impedancia de la carga. El voltaje de CA de la señal será el mismo de extremo a extremo por el que pasa la señal sin interferencias.
Sin embargo, en los sistemas reales, los desajustes de impedancia hacen que parte de la energía se refleje hacia la fuente (como un eco). Los reflejos causan interferencias constructivas y destructivas, provocando picos y valles de voltaje en diferentes momentos y distancias a lo largo de la línea. VSWR mide estas variaciones de voltaje. Esta es la relación entre cualquier voltaje más alto y el voltaje más bajo a lo largo de la línea de transmisión.
Un sistema ideal tendría un voltaje constante, por lo que su VSWR sería de 1,0 o, por lo general, una relación de 1:1. Cuando ocurre un reflejo, el voltaje cambiará y el VSWR será más alto (por ejemplo, 1,2 o 1,2:1).
energía reflejada
Cuando una onda transmitida golpea algo así como el límite entre una línea de transmisión sin pérdidas y una carga (Figura 1), se transmite algo de energía a la carga y otra parte se refleja. El coeficiente de reflexión relaciona las ondas incidente y reflejada de la siguiente manera:
Γ = V-/V+ (ecuación 1)
donde V- es la onda reflejada y V+ es la onda entrante. VSWR está relacionado con la magnitud del coeficiente de reflexión de voltaje (Γ) de la siguiente manera:
VSWR = (1 + |Γ|)/(1 – |Γ|) (ecuación 2)
VSWR se puede medir directamente con un medidor SWR. El equipo de prueba de RF, como un analizador de red vectorial (VNA), se puede utilizar para medir el coeficiente de reflexión del puerto de entrada (S11) y el puerto de salida (S22). S11 y S22 corresponden a Γ de los puertos de entrada y salida, respectivamente. Un VNA con modo matemático también puede calcular y mostrar directamente el valor VSWR resultante.
La pérdida de retorno en los puertos de entrada y salida se puede calcular a partir del coeficiente de reflexión S11 o S22 de la siguiente manera:
RLIN = 20log10|S11|dB (Ecuación 3)
RLOUT = 20log10|S22|dB (Ecuación 4)
El coeficiente de reflexión se calcula a partir de la impedancia característica de la línea de transmisión y la impedancia de carga de la siguiente manera:
Γ = (ZL – ZO)/(ZL + ZO) (ecuación 5)
donde ZL es la impedancia de carga y ZO es la impedancia característica de la línea de transmisión (Figura 1).
VSWR también se puede expresar en términos de ZL y ZO. Sustituyendo la Ecuación 5 en la Ecuación 2 da:
ROE = [1 + |(ZL – ZO)/(ZL + ZO)|]/[1 – |(ZL – ZO)/(ZL + ZO)|] = (ZL + ZO + |ZL – ZO|)/(ZL + ZO – |ZL – ZO|)
Si ZL > ZO entonces |ZL – ZO| =ZL-ZO
por lo tanto:
ROE = (ZL + ZO + ZL – ZO)/(ZL + ZO – ZL + ZO) = ZL/ZO. (Fórmula 6)
Si ZL < ZO entonces |ZL – ZO| = ZO – ZL
por lo tanto:
ROE = (ZL + ZO + ZO – ZL)/(ZL + ZO – ZO + ZL) = ZO/ZL. (ecuación 7)
Mencionamos anteriormente que VSWR es una especificación dada en un formato de relación a uno, como el ejemplo 1.5:1. VSWR tiene dos casos especiales: ∞:1 y 1:1. Si la carga es un circuito abierto, se producirá una relación de infinito a 1. Una relación de 1:1 ocurre cuando la carga coincide perfectamente con la impedancia característica de la línea de transmisión.
VSWR se define a partir de ondas estacionarias generadas en la propia línea de transmisión como:
VSWR = |VMAX|/|VMIN| (Ecuación 8)
donde VMAX es la amplitud máxima y VMIN es la amplitud mínima de la onda estacionaria. Para dos ondas superpuestas, el máximo se produce debido a la interferencia constructiva entre las ondas incidente y reflejada. por lo tanto:
VMAX = V+ + V- (Ecuación 9)
Para máxima interferencia constructiva. La amplitud mínima se produce al resolver la interferencia, o cuando:
VMIN = V+ – V- (Ecuación 10)
Sustituyendo las Ecuaciones 9 y 10 en la Ecuación 8 se obtiene:
VSWR = |VMAX|/|VMIN| = (V+ + V-)/(V+ – V-) (Ecuación 11)
Sustituyendo la Ecuación 1 en la Ecuación 11 da:
VSWR = V+(1 + |Γ|)/(V+(1 – |Γ|) = (1 + |Γ|)/(1 – |Γ|) (Ecuación 12)
La ecuación 12 es la ecuación 2 mencionada al principio de este artículo.
sistema de monitoreo VSWR
El MAX2016 es un detector/controlador logarítmico dual que se usa junto con un circulador y un atenuador para monitorear la VSWR/pérdida de retorno de la antena. El MAX2016 genera la diferencia entre los dos detectores de potencia.
La combinación del MAX2016 con el potenciómetro digital MAX5402 y los ADC MAX1116/MAX1117 forma un sistema de monitoreo VSWR completo (Figura 2). Un potenciómetro digital actúa como un divisor de voltaje usando la salida de voltaje de referencia del MAX2016. La referencia de voltaje interno normalmente puede generar 2 mA de corriente. Este voltaje establece el voltaje umbral del comparador interno (pin CSETL). Se puede generar una alarma cuando el voltaje de salida excede un umbral (pin COUTL). El ADC MAX1116 requiere una fuente de alimentación de 2,7 V a 3,6 V, mientras que el ADC MAX1117 requiere de 4,5 V a 5,5 V. El ADC también puede usar un voltaje de referencia externo proporcionado por el MAX2016. Un ADC combinado con un microcontrolador permite un monitoreo constante del VSWR de la antena.
resumen
Como repaso, este tutorial analiza SWR o VSWR como un método para medir las imperfecciones y la eficiencia de la línea de transmisión. VSWR está relacionado con el coeficiente de reflexión. Cuanto mayor sea la proporción, mayor será el desajuste, y una proporción de 1:1 es una coincidencia perfecta. Este emparejamiento o desajuste resulta de la amplitud máxima y mínima de la onda estacionaria. SWR está relacionado con la relación entre la energía transmitida y la energía reflejada. El MAX2016 se muestra como un ejemplo de cómo crear un sistema para monitorear la antena VSWR.