¿Qué es la relación de onda estacionaria de voltaje? ¿Cómo calcular VSWR?
"VSWR (relación de onda estacionaria de voltaje), es una medida de la eficiencia con la que se transmite la energía de radiofrecuencia desde una fuente de energía, a través de una línea de transmisión, a una carga (por ejemplo, de un amplificador de potencia a través de una línea de transmisión, a una antena ). " Este es el concepto de VSWR. Más sobre VSWR, como los factores que influyen en VSWR, el impacto en el sistema de transmisión, la diferencia con SWR, etc. Este artículo puede brindarle una explicación detallada.
Según Wikipedia, la relación de onda estacionaria (ROE) se define como:
"una medida de coincidencia de impedancia de cargas con la impedancia característica de una línea de transmisión o guía de ondas. Las diferencias de impedancia dan como resultado ondas estacionarias a lo largo de la línea de transmisión, y la ROE 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 ROE generalmente se mide usando un instrumento dedicado llamado Medidor de ROE. Dado que SWR es una medida de la impedancia de carga relativa a la impedancia característica de la línea de transmisión en uso (que en conjunto determinan el coeficiente de reflexión como se describe a continuación), un medidor de SWR dado puede interpretar la impedancia que ve en términos de SWR solo si tiene ha sido diseñado para esa impedancia característica particular. 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 verificación 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 simple y más robusto para este propósito. Al medir la magnitud del desajuste de impedancia en la salida del transmisor, se revelan problemas debidos a la antena o la línea de transmisión.
Por cierto, si cree que nunca ha experimentado personalmente una onda estacionaria, es muy poco probable. Las ondas estacionarias en un horno de microondas son la razón por la que los alimentos se cocinan de manera desigual (el plato giratorio es una solución parcial a ese problema). La longitud de onda de la señal de 2.45 GHz es de unos 12 centímetros, o unas cinco pulgadas. Los nulos en la radiación (y el calentamiento) se separarán a una distancia similar a la longitud de onda.
El coeficiente de reflexión es un parámetro que describe qué parte de una onda electromagnética se refleja por una discontinuidad de impedancia en el medio de transmisión, lo que equivale a la relación entre la amplitud de la onda reflejada y la onda incidente. El coeficiente de reflexión es una cualidad muy útil a la hora de determinar VSWR o investigar la correspondencia entre, por ejemplo, un alimentador y una carga. La letra griega Γ se usa típicamente para el coeficiente de reflexión, aunque también se ve a menudo σ.
Coeficiente de reflexión
Utilizando la definición básica del coeficiente de reflexión, se puede calcular a partir del conocimiento de el incidente y voltajes reflejados.
Pérdidas de retorno es la pérdida de potencia de la señal debido a la reflexión o retorno de la señal por una discontinuidad en un enlace de fibra óptica o línea de transmisión, y su unidad de expresión también está en decibelios (dBs). Esta falta de coincidencia de impedancia puede ser con un dispositivo insertado en la línea o con la carga de terminación. Además, la pérdida de retorno es la relación entre el coeficiente de reflexión (Γ) y la relación de onda estacionaria (SWR), y siempre es un número positivo, y una pérdida de retorno alta es un parámetro de medición favorable y, por lo general, se correlaciona con una inserción baja. pérdida. Por cierto, si aumenta la pérdida de retorno, se correlacionará con una ROE más baja.
La pérdida de señal, que ocurre a lo largo de un enlace de fibra óptica, se llama pérdida de inserción. Sin embargo, la pérdida de inserción es una ocurrencia natural que ocurre con todo tipo de transmisiones, ya sean de datos o eléctricas. Además, como ocurre básicamente con todas las líneas de transmisión físicas o rutas conductoras, cuanto más larga sea la ruta, mayor será la pérdida. Además, estas pérdidas también ocurren en cada punto de conexión a lo largo de la línea, incluidos empalmes y conectores. Este parámetro de medición en particular se expresa en decibelios y siempre debe ser un número positivo. Sin embargo, debería, no significa siempre, y si por casualidad es negativo, no es un parámetro de medición favorable. En algunos casos, una pérdida de inserción puede aparecer como una medición de parámetro negativa.
Pérdida de retorno y pérdida de inserción
Así que ahora, examinemos el diagrama anterior en detalle para que podamos comprender mejor cómo interactúan la pérdida de inserción y la pérdida de retorno. Como puede ver, la energía incidente viaja por una línea de transmisión desde la izquierda hasta que llega al componente. Una vez que llega al componente, una parte de la señal se refleja de regreso por la línea de transmisión hacia la fuente de donde proviene. Además, tenga en cuenta que esta parte de la señal no ingresa al componente.
De hecho, el resto de la señal entra en el componente. Allí, una parte se absorbe y el resto pasa a través del componente hacia la línea de transmisión en el otro lado. La potencia que sale del componente se llama potencia transmitida., y es menor que la potencia incidente por dos razones:
① Una parte de la señal se refleja.
② El componente absorbe una parte de la señal.
Entonces, en resumen, expresamos la pérdida de inserción en decibelios, y es la relación entre la potencia incidente y la potencia transmitida. Además, podemos resumir que la pérdida de retorno, que también expresamos en decibelios, es la relación entre la potencia incidente y la potencia reflejada. Por lo tanto, podemos ver cómo los dos tipos de parámetros de medición de pérdidas ayudan a medir con precisión la eficiencia general de una señal y un componente medibles dentro de un sistema o en una ruta de acceso.
En las prácticas electrónicas actuales, en términos de uso, la pérdida de retorno es preferible a la ROE, ya que ofrece una mejor resolución para valores más pequeños de ondas reflejadas.
3) ¿Qué es Impedence Matching?
La coincidencia de impedancia es fuente de diseño y impedancias de carga para minimizar la reflexión de la señal o maximizar la transferencia de energía. En los circuitos de CC, la fuente y la carga deben ser iguales. En los circuitos de CA, la fuente debe ser igual a la carga o al conjugado complejo de la carga, según el objetivo. La impedancia (Z) es una medida de la oposición al flujo eléctrico, que es un valor complejo en el que la parte real se define como la resistencia (R) y la parte imaginaria se llama reactancia (X). La ecuación de impedancia es, por definición, Z = R + jX, donde j es la unidad imaginaria. En los sistemas de CC, la reactancia es cero, por lo que la impedancia es la misma que la resistencia.
3. ¿Qué es VSWR (relación de onda estacionaria de voltaje)?
1) ¿Cuál es el significado de VSWR?
La relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) es una indicación de la cantidad de desajuste entre una antena y la línea de alimentación que se conecta a ella. (Hacer clic esta página para elegir nuestros productos de antenas) Esto también se conoce como la relación de onda estacionaria (SWR). El rango de valores para VSWR es de 1 a ∞. Se considera un valor VSWR inferior a 2 adecuado para la mayoría de aplicaciones de antenas. La antena puede describirse como una "buena combinación". Entonces, cuando alguien dice que la antena está mal adaptada, muy a menudo significa que el valor de VSWR excede 2 para una frecuencia de interés. La pérdida de retorno es otra especificación de interés y se trata con más detalle en la sección Teoría de la antena. Una conversión comúnmente requerida es entre pérdida de retorno y VSWR, y algunos valores se tabulan en el gráfico, junto con un gráfico de estos valores para referencia rápida.
¡Echemos un video de vista rápida sobre VSWR!
2) factores Afecta VSWR
· Frecuencia
· Tierra de la antena
· Objetos de metal cercanos
· Tipo de construcción de antena
· Temperatura
3) ROE vs VSWR vs ISWR vs PSWR
La ROE es un concepto, es decir, la relación de ondas estacionarias. VSWR es en realidad la forma en que se realiza la medición, midiendo los voltajes para determinar la ROE. También puede medir la ROE midiendo las corrientes o incluso la potencia (ISWR y PSWR). Pero para la mayoría de las intenciones y propósitos, cuando alguien dice SWR se refiere a VSWR, en una conversación común son intercambiables.
· SWR: SWR significa relación de ondas estacionarias. Describe las ondas estacionarias de voltaje y corriente que aparecen en la línea. Es una descripción genérica para ondas estacionarias de corriente y tensión. A menudo se utiliza en asociación con medidores que se utilizan para detectar la relación de ondas estacionarias. Tanto la corriente como el voltaje suben y bajan en la misma proporción para un desajuste dado. · VSWR: La VSWR o relación de onda estacionaria de voltaje se aplica específicamente a las ondas estacionarias de voltaje que se configuran en un alimentador o línea de transmisión. Como es más fácil detectar las ondas estacionarias de voltaje y, en muchos casos, los voltajes son más importantes en términos de avería del dispositivo, el término VSWR se usa a menudo, especialmente dentro de las áreas de diseño de RF.
Para la mayoría de los propósitos prácticos, ISWR es lo mismo que VSWR. En condiciones ideales, el voltaje de RF en una línea de transmisión de señal es el mismo en todos los puntos de la línea, sin tener en cuenta las pérdidas de potencia causadas por la resistencia eléctrica en los cables de la línea y las imperfecciones en el material dieléctrico que separa los conductores de línea. Por tanto, el VSWR ideal es 1: 1. (A menudo, el valor de ROE se escribe simplemente en términos del primer número, o numerador, de la razón porque el segundo número, o denominador, es siempre 1.) Cuando el VSWR es 1, el ISWR también es 1. Esta condición óptima puede existen solo cuando la carga (como una antena o un receptor inalámbrico), a la que se envía la potencia de RF, tiene una impedancia idéntica a la impedancia de la línea de transmisión. Esto significa que la resistencia de la carga debe ser la misma que la impedancia característica de la línea de transmisión y la carga no debe contener reactancia (es decir, la carga debe estar libre de inductancia o capacitancia). En cualquier otra situación, el voltaje y la corriente fluctúan en varios puntos a lo largo de la línea, y la ROE no es 1.
4. Cómo afecta el VSWR al rendimiento en el sistema de transmisión
Hay muchas formas en las que VSWR afecta el desempeño de un sistema de transmisión o cualquier sistema que pueda usar frecuencias de radio e impedancias idénticas. Aunque el VSWR se usa normalmente, tanto las ondas de voltaje como las de corriente pueden causar problemas.
· Los amplificadores de potencia del transmisor pueden dañarse: Los niveles aumentados de voltaje y corriente que se ven en el alimentador como resultado de las ondas estacionarias pueden dañar los transistores de salida del transmisor. Los dispositivos semiconductores son muy confiables si se operan dentro de sus límites especificados, pero el voltaje y las ondas estacionarias de corriente en el alimentador pueden causar daños catastróficos si hacen que el dispositivo funcione fuera de sus límites.
· La protección PA reduce la potencia de salida: En vista del peligro muy real de que los altos niveles de ROE causen daños al amplificador de potencia, muchos transmisores incorporan circuitos de protección que reducen la salida del transmisor a medida que aumenta la ROE. Esto significa que una mala correspondencia entre el alimentador y la antena dará como resultado una ROE alta que hace que la salida se reduzca y, por lo tanto, una pérdida significativa en la potencia transmitida.
· Los niveles de alto voltaje y corriente pueden dañar el alimentador: Es posible que los altos niveles de voltaje y corriente causados por la alta relación de ondas estacionarias puedan dañar un alimentador. Aunque en la mayoría de los casos los alimentadores funcionarán bien dentro de sus límites y la duplicación de voltaje y corriente debería poder adaptarse, hay algunas circunstancias en las que se pueden causar daños. Los máximos de corriente pueden causar un calentamiento local excesivo que podría distorsionar o fundir los plásticos utilizados, y se sabe que los altos voltajes causan arcos eléctricos en algunas circunstancias.
· Los retrasos provocados por los reflejos pueden provocar distorsión: Cuando una señal se refleja por falta de coincidencia, se refleja hacia la fuente y, a continuación, puede reflejarse de nuevo hacia la antena. Se introduce un retardo igual al doble del tiempo de transmisión de la señal a lo largo del alimentador. Si se transmiten datos, esto puede causar interferencia entre símbolos y, en otro ejemplo en el que se transmitía televisión analógica, se vio una imagen "fantasma".
· Reducción de la señal en comparación con el sistema de adaptación perfecta: Curiosamente, la pérdida en el nivel de la señal causada por un VSWR deficiente no es tan grande como algunos pueden imaginar. Cualquier señal reflejada por la carga, se refleja de regreso al transmisor y como la coincidencia en el transmisor puede permitir que la señal se refleje nuevamente en la antena, las pérdidas incurridas son fundamentalmente las introducidas por el alimentador. Como guía, una longitud de 30 metros de cable coaxial RG213 con una pérdida de alrededor de 1.5 dB a 30 MHz significará que una antena que funcione con un VSWR solo dará una pérdida de poco más de 1 dB a esta frecuencia en comparación con una antena perfectamente adaptada.
Se pueden utilizar muchos métodos diferentes para medir la relación de ondas estacionarias. El método más intuitivo usa 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. Por tanto, los valores máximo y mínimo se pueden comparar directamente. Este método se utiliza en VHF y frecuencias más altas. A frecuencias más bajas, tales líneas son imprácticamente largas. Los acopladores direccionales se pueden utilizar en HF a través de frecuencias de microondas. Algunos son de un cuarto de onda o más de largo, lo que restringe su uso a las frecuencias más altas. Otros tipos de acopladores direccionales muestrean la corriente y el voltaje en un solo punto en la ruta de transmisión y los combinan matemáticamente de tal manera que representen la potencia que fluye en una dirección. El tipo común de medidor de potencia / ROE utilizado en la operación de aficionados puede contener un acoplador direccional dual. Otros tipos utilizan un solo acoplador que se puede girar 180 grados para muestrear el flujo de energía 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.
Línea ranurada
La potencia directa y reflejada medida por los acopladores direccionales se puede utilizar para calcular la ROE. Los cálculos se pueden hacer matemáticamente en forma analógica o digital o usando 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, toda la potencia del transmisor puede pasar a través del dispositivo de medición para permitir la monitorización continua de la ROE. Otros instrumentos, como los analizadores de red, los acopladores direccionales de baja potencia y los puentes de antena utilizan poca potencia para la medición y deben conectarse en lugar del transmisor. Los circuitos puente se pueden usar para medir directamente las partes reales e imaginarias de una impedancia de carga y usar esos valores para derivar SWR. Estos métodos pueden proporcionar más información que solo ROE o potencia directa y reflejada. Los analizadores de antena independientes utilizan varios métodos de medición y pueden mostrar ROE y otros parámetros representados en función de la frecuencia. Al usar acopladores direccionales y un puente en combinación, es posible hacer un instrumento en línea que lea directamente en impedancia compleja o en ROE. También hay disponibles analizadores de antena independientes que miden múltiples parámetros.
Un medidor de potencia
NOTA: Si su lectura de ROE es inferior a 1, tiene un problema. Es posible que tenga un medidor de ROE defectuoso, algo mal con la antena o la conexión de la antena, o es posible que tenga una radio dañada o defectuosa.
Cuando una onda transmitida alcanza un límite como el que se encuentra entre la línea de transmisión sin pérdidas y la carga (Figura 1), se transmitirá algo de energía a la carga y parte se reflejará. El coeficiente de reflexión relaciona las ondas entrantes y reflejadas como:
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) por:
VSWR = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Ec. 2)
Figura 1. Circuito de la línea de transmisión que ilustra el límite de desajuste de impedancia entre la línea de transmisión y la carga. Los reflejos ocurren en el límite designado por Γ. La onda incidente es V + y la onda reflectante es V-.
VSWR se puede medir directamente con un medidor SWR. Se puede utilizar un instrumento de prueba de RF, como un analizador de red vectorial (VNA) para medir los coeficientes de reflexión del puerto de entrada (S11) y el puerto de salida (S22). S11 y S22 son equivalentes a Γ en el puerto de entrada y salida, respectivamente. Los VNA con modos matemáticos también pueden 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. Al sustituir la ecuación 5 en la ecuación 2, obtenemos:
VSWR = [1 + | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] / [1 - | (ZL - ZO) / (ZL + ZO) |] = (ZL + ZO + | ZL - ZO |) / (ZL + ZO - | ZL - ZO |)
Para ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO
Por lo tanto:
VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Ecuación 7)
Notamos anteriormente que VSWR es una especificación dada en forma de relación con respecto a 1, como un ejemplo 1.5: 1. Hay dos casos especiales de VSWR, ∞: 1 y 1: 1. Se produce una relación de infinito a uno cuando la carga es un circuito abierto. Una relación de 1: 1 ocurre cuando la carga se adapta perfectamente a la impedancia característica de la línea de transmisión.
VSWR se define a partir de la onda estacionaria que surge en la línea de transmisión por:
VSWR = | VMAX | / | VMIN | (Ecuación 8)
Donde VMAX es la amplitud máxima y VMIN es la amplitud mínima de la onda estacionaria. Con dos ondas superpuestas, el máximo ocurre con interferencia constructiva entre las ondas entrantes y reflejadas. Así:
VMAX = V + + V- (Ecuación 9)
para una máxima interferencia constructiva. La amplitud mínima ocurre con interferencia deconstructiva, o:
VMIN = V + - V- (Ecuación 10)
Sustituyendo las ecuaciones 9 y 10 en los rendimientos de la ecuación 8
VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V-) (Ecuación 11)
Sustituya la ecuación 1 en la ecuación 11, obtenemos:
A medida que la onda eléctrica viaja a través de las diferentes partes del sistema de antena (receptor, línea de alimentación, antena, espacio libre), puede encontrar diferencias en las impedancias. En cada interfaz, una fracción de la energía de la onda se reflejará de regreso a la fuente, formando una onda estacionaria en la línea de alimentación. La relación entre la potencia máxima y la potencia mínima en la onda se puede medir y se denomina relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR). Un VSWR de menos de 1.5: 1 es ideal, un VSWR de 2: 1 se considera marginalmente aceptable en aplicaciones de baja potencia donde la pérdida de energía es más crítica, aunque un VSWR tan alto como 6: 1 todavía se puede usar con el equipo. En caso de que no le interesen las ecuaciones matemáticas, aquí hay una pequeña tabla de "hojas de trucos" para ayudar a comprender la correlación de VSWR con el porcentaje de potencia reflejada que regresará.
VSWR
Poder devuelto
(aproximado)
1:1
0%
2:1
10%
3:1
25%
6:1
50%
10:1
65%
14:1
75%
2.¿Qué causa un VSWR alto?
Si el VSWR es demasiado alto, potencialmente podría haber demasiada energía reflejada en un amplificador de potencia, causando daños a los circuitos internos. En un sistema ideal, habría un VSWR de 1: 1. Las causas de una alta calificación de VSWR podrían ser el uso de una carga incorrecta o algo desconocido, como una línea de transmisión dañada.
