Definición y antecedentesEn un sistema de transmisión eléctrica de radiofrecuencia (RF), la relación de onda estacionaria (SWR) es una medida de qué tan eficientemente se transmite la energía de RF desde la fuente de energía, a través de la línea de transmisión y hacia la carga. Un ejemplo común es un amplificador de potencia conectado a través de una línea de transmisión a una antena.
SWR es, por lo tanto, la relación entre las ondas transmitidas y reflejadas. Un SWR alto indica una pobre eficiencia de la línea de transmisión y energía reflejada, lo que puede dañar el transmisor y disminuir la eficiencia del transmisor. Dado que SWR se refiere comúnmente a la relación de voltaje, generalmente se conoce como relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR).

VSWR y eficiencia del sistema

En un sistema ideal, el 100% de la energía se transmite desde las etapas 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 ya que pasa sin interferencia.

Sin embargo, en sistemas reales, las impedancias no coincidentes hacen que parte del poder se refleje hacia la fuente (como un eco). Las reflexiones causan interferencia constructiva y destructiva, lo que lleva a picos y valles en el voltaje en varios momentos y distancias a lo largo de la línea. VSWR mide estas variaciones de voltaje. Es la relación entre el voltaje más alto en cualquier parte de la línea de transmisión y el voltaje más bajo.

Como el voltaje no varía en un sistema ideal, su VSWR es 1.0 o, como se expresa comúnmente como una relación de 1: 1. Cuando se producen reflejos, los voltajes varían y VSWR es mayor, por ejemplo 1.2 o 1.2: 1.

Energía reflejada

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 + (Eq1.)

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 |) (Eq2.)

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 (Eq3.)

RLOUT = 20log10 | S22 | dB (Eq4.)

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) (Eq5.)

Donde ZL es la impedancia de carga y ZO es la impedancia característica de la línea de transmisión.

VSWR también se puede expresar en términos de ZL y ZO. Al sustituir la ecuación 5 en la ecuación 2, obtenemos:

Para ZL> ZO, | ZL - ZO | = ZL - ZO

Por lo tanto:

VSWR = (ZL + ZO + ZL - ZO) / (ZL + ZO - ZL + ZO) = ZL / ZO. (Eq6.)

Para ZL <ZO, | ZL - ZO | = ZO - ZL

Por lo tanto:

VSWR = (ZL + ZO + ZO - ZL) / (ZL + ZO - ZO + ZL) = ZO / ZL. (Eq7.)

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 | (Eq8.)

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- (Eq9.)

Para máxima interferencia constructiva. La amplitud mínima ocurre con interferencia deconstructiva, o:

VMIN = V + - V- (Eq10.)

Sustituyendo las ecuaciones 9 y 10 en los rendimientos de la ecuación 8

VSWR = | VMAX | / | VMIN | = (V + + V -) / (V + - V -) (Eq11.)

Sustituya la ecuación 1 en la ecuación 11, obtenemos:

VSWR = V + (1 + | Γ |) / (V + (1 - | Γ |) = (1 + | Γ |) / (1 - | Γ |) (Eq12.)

Sistema de monitoreo VSWR

El MAX2016 es un detector / controlador logarítmico dual que se usa para monitorear la pérdida VSWR / retorno de una antena, cuando se combina con un circulador y un atenuador. El MAX2016 genera la diferencia entre los dos detectores de potencia.

El MAX2016 combinado con el potenciómetro digital MAX5402 y MAX1116 / MAX1117 ADC forma un sistema de monitoreo VSWR completo. El potenciómetro digital actúa como un divisor de voltaje al usar la salida de voltaje de referencia del MAX2016. El voltaje de referencia interno generalmente puede generar 2mA de corriente. Este voltaje establece el voltaje umbral para el comparador interno (pin CSETL). Se puede generar una alarma cuando el voltaje de salida cruza el umbral (pin COUTL). El ADC MAX1116 requiere un suministro de 2.7V a 3.6V, mientras que el ADC MAX1117 requiere 4.5V a 5.5V. El ADC también puede usar un voltaje de referencia externo, proporcionado por MAX2016. El ADC emparejado con el microcontrolador permite un monitoreo constante del VSWR de la antena.

Resumen
En resumen, este tutorial describe SWR o VSWR como una forma de medir las imperfecciones y la eficiencia de la línea de transmisión. VSWR está relacionado con el coeficiente de reflexión. Una relación más alta representa una falta de coincidencia mayor, mientras que la relación 1: 1 coincide perfectamente. Esta coincidencia o desajuste surge de la amplitud máxima y mínima de la onda estacionaria. La ROE está relacionada con la relación entre la energía transmitida y la reflejada. El MAX2016 se muestra como un ejemplo de cómo crear un sistema para monitorear la antena VSWR.

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