Todos los lectores que están trabajando con la transmisión de señales de radio, sin duda oirán hablar de las ondas estacionarias. Estas ondas que aparecen en las líneas de transmisión deben mantener en un nivel bajo o nulo para que no perjudiquen las emisiones y los equipos. Pero pocos conocen lo que son estas ondas, como se forman, cómo pueden reducirse sus efectos y cómo pueden medirse, para poder tomar precauciones para eliminarlas. Todo eso trataremos ahora.
Para que un sistema transmisor funcione correctamente, toda la energía generada en los circuitos electrónicos debe conducirse a la antena para irradiarse. Para esta finalidad existe un cable que se denomina línea de transmisión, que hace la conexión entre el transmisor y la antena.
Esta línea no presentaría mayor interés a los operadores y proyectistas de equipos de radio si no fuera escenario de un fenómeno importante, capaz de disminuir en forma considerable la eficiencia del sistema. (figura 1).
Si se produjeran problemas de adaptación entre la línea y el transmisor, o entre la línea y la antena, ocurrirían graves problemas de transferencia de energía. Los reflejos pueden entonces disminuir la energía irradiada y no solamente eso: pueden sobrecargar los circuitos mismos del transmisor y eventualmente podrían quemarse los transistores y otros elementos.
Las señales que se reflejan en la linea de transmisión dan origen a las llamadas "ondas estacionarias" o, en inglés, "standing waves" que es lo que pasamos a tratar.
TRANSFERENCIA DE ENERGIA
Para que se produzca la máxima transferencia de energía de un sistema a otro, como por ejemplo de un transmisor a una antena, es preciso que sus impedancias sean iguales.
Si hubiera conexión directa entre un sistema A y uno B, como muestra la figura 2, no importa el modo en que se haya efectuado porque no influye en la transmisión de la energía.
Pero si el sistema A -un transmisor por ejemplo- estuviera lejos del sistema B -Ia antena, por ejemplo- es preciso que el conductor que lós une, o sea Ia línea de transmisión tenga también la misma impedancia. (figura 3).
Para los alambres comunes la impedancia que presentan depende de la longitud, lo que no los hace muy adecuados para conectar un sistema formado por un transmisor y la antena. Eso ocurre porque en las frecuencias altas entra en acción la inductancia de los alambres y la capacitancia entre ellos, la cual es función de su longitud (figura 4).
Pero existe una solución, para la conducción de las señales, que consiste en el uso de los cables coaxiales (nota del autor) ya que su construcción física es. tal que la impedancia, en una amplia banda de frecuencias, se mantiene independiente de la frecuencia de las señales conducidas.
Las lineas paralelas de 300 Ω también son ejemplo de sistema conductor de impedancia constante.
Cuando decimos que un cable coaxial tiene una impedancia de 50 Ω, no importa que la longitud considerada sea de 20 cm o de 20 metros. (figura 5).
Con el empleo de un transmisor cuya salida sea de 50 Ω de impedancia, con un cable de 50 Ω de impedancia, cualquiera sea su longitud, y una antena de 50 Ω de impedancia, tendríamos el sistema de máximo rendimiento para una estación.
LA IMPEDANCIA DE LA ANTENA
Para ilustrar mejor el fenómeno, vamos a imaginar un sistema en que tengamos un transmisor, un cable coaxial y, en lugar de la antena, se coloque una lampara, como muestra la figura 6.
Vamos a suponer al comienzo que la lampara tenga una resistencia constante de filamento, de 50 Ω, que corresponde a la impedancia de la linea de transmisión. AI conectar el transmisor, toda la energía se transferida a la lampara que la absorberá y la convertida en luz y calor.
La lámpara enciende entonces con el máximo brillo (cuando se emplea una antena de 50 Ω de impedancia, la energía irradiada sera total).
?Que sucedería si en lugar de tener una lámpara de 50 Ω conectamos una de 150 Ω? (figura 7).
El resultado seria que las impedancias quedarían desparejas. La lampara no lograría recibir toda la energía del transmisor que llegase por el cable y entonces una parte volvería al transmisor. La absorción seria el 75% y la parte reflejada sería el 25% de la energía total.
Resulta claro que esa energía reflejada tiene que ir a algún lado y estos serían los componentes de salida del transmisor.
Esos componentes tendrían que disipar la energía reflejada, con un calentamiento adicional para el que el proyecto no está preparado. La quema de un transistor final de potencia y hasta un "enrojecimiento de la placa" de la válvula, podrían ocurrir en este caso.
?Por que la onda reflejada produce todo eso? ?Qué sucede dentro del cable?, Para entenderlo haremos una analogía mecánica.
LAS ONDAS ESTACIONARIAS
Imaginemos una soga fija a una pared como muestra la figura 8.
Moviendo con rapidez la soga para arriba y para abajo podemos producir una onda transversal que se propaga con cierta velocidad.
El comportamiento de esta onda es análogo al de una onda eléctrica que recorre un cable coaxial.
La única diferencia es que en el caso de la serial eléctrica tenemos una tensión que varia a Io largo de la linea que recorre a una velocidad de millares de kilómetros por segundo.
Pues bien: si el extremo fijo de la soga tuviera un sistema de amortiguación que pudiera recibir toda la energía que viene por la onda transversal, todo andaría bien. La onda llega a ese punto y así termina.
Pero si esa oscilación no es absorbida, hay una reflexión de la onda que vuelve al punto de partida. (figura 9).
Tenemos entonces una onda reflejada que puede tener mayor o menor intensidad según la capacidad de absorción del punto fijo.
En el caso de un transmisor de radio no tenemos una onda simplemente sino un tren de ondas, o sea la producción continua de oscilaciones que deben ir del transmisor a la antena. (figura 10).
Eso significa que, si hubiera reflexión de parte de esas ondas al final de la línea, las ondas que van se combinar con las que vienen y el resultado es bastante interesante: como las frecuencias de las ondas en un sentido y en el otro son iguales, se produce un fenómeno de combinación en el que aparecen puntos de máximos y mínimos bien establecidos en toda la extensión de la linea como se ve en la figura 11.
Si la intensidad de la onda reflejada fuera igual a la de la onda incidente, tendríamos un 100% de reflexión y los puntos de máxima tendrían una intensidad (amplitud) correspondiente al doble de la amplitud de cada serial y“ los puntos del mínimo serían nulos.
Si la intensidad de la onda reflejada fuese menor, los máximos no serían el doble y los mínimos no serían nulos, y su diferencia seria menor. Es evidente que,con ninguna reflexión,no existirán puntos de máxima ni de mínima sino uma intensidad (amplitud) única en toda la extensión de la línea. (figura 12).
Haciendo el razonamiento para un transmisor podemos imaginar que hay voltímetros a lo largo de la linea de transmisión. (figura 13).
Si no hubiera ninguna reflexión, la tensión leída en cualquier punto seria la misma y la máxima.
Si la reflexión fuera total, tendremos puntos filos en los que el instrumento señalaría el máximo, el mínimo y los valores intermedios.
Vea que la impresión que se recibe en este caso es que la onda se detiene, o sea que se pasa a tener los vientres en posiciones fijas. En realidad existe la propagación de dos ondas, una en cada sentido, lo que da por resultado ese fenómeno.
Como la impresión es que la onda está detenida o estacionada, este fenómeno se denomina “onda estacionaria".
Para la transmisión, la presencia de ondas estacionarias es señal de que está reflejándose parte de la energia y que, por lo tanto, no esta irradiándose.
Debemos entonces reducir su proporción en relación a la onda que va a la antena.
COMO SE MIDE
En principio sabemos que para que haya una transferencia total de energía desde el transmisor a la antena, no debe haber onda reflejada. En otras palabras, en todos los puntos considerados de la línea la tensión debe ser la misma. La relación entre los puntos de máxima y los de mínima debe ser en torno de 1:1.
Se obtiene entonces el mejor rendimiento de un sistema cuando en su línea de transmisión la relación de ondas estacionarias (abreviando, ROE, o SWR en inglés) es de1a1 o 1:1.
A medida que aparecen las ondas estacionarias, por la reflexión de la señal, la relación entre la tensión máxima y la mínima, de la serial, aumenta.
Damos como ejemplo una tabla en la que asociamos las relaciones de ondas estacionarias (ROE) con la potencia efectiva que se transfiere a la antena:
| Relación ondas Estacionarias | Perdas (%) |
| 1:1,01 | - |
| 1:1,02 | 0,01 |
| 1:1.03 | 0,02 |
| 1:1,04 | 0,04 |
| 1:1,05 | 0,06 |
| 1:1,06 | 0,08 |
| 1:1,07 | 0,11 |
| 1:1,08 | 0,15 |
| 1:1,09 | 0,19 |
| 1:1,10 | 0,23 |
| 1:1,11 | 0,27 |
| 1:1,12 | 0,32 |
| 1:1,13 | 0,37 |
| 1:1,14 | 0,43 |
| 1:1,15 | 0,49 |
| 1:1,16 | 0,55 |
| 1:1,17 | 0,61 |
| 1:1,18 | 0,68 |
| 1:1,19 | 0,75 |
| 1:1,20 | 0,83 |
| 1:1,30 | 1,70 |
| 1:1,40 | 2,78 |
| 1:1,50 | 4,00 |
| 1:1,60 | 5,33 |
| 1:1,70 | 6,72 |
| 1:1,80 | 8,16 |
| 1:1,90 | 9,63 |
| 1:2,00 | 11,1 |
| 1:2,20 | 14,1 |
| 1:2,40 | 17,0 |
| 1:2,60 | 19,8 |
| 1:2,80 | 22.4 |
| 1:3,00 | 25,0 |
| 1:4,00 | 36.0 |
| 1:5,00 | 44,4 |
| 1:6,00 | 51.0 |
| 1:7,00 | 56,2 |
| 1:8,00 | 60,5 |
| 1:9,00 | 63,2 |
| 1:10 | 66,9 |
| 1:20 | 81,9 |
| 1:50 | 92,3 |
Es evidente que el medidor de ondas estacionarias debe estar en condiciones para captar tanto la seria! que va del transmisor a la antena, como la señal reflejada de la antena hacia el receptor y de extraer la relación deseada.
Puede que le parezca difícil lograr eso, pero existen soluciones interesantes.
EL ACOPLADOR DIRECCIONAL
Una de las características de una linea de transmisión es que el campo externo es nulo, de manera que no podemos extraer ninguna señal en sus proximidades, del lado externo.
Es esta propiedad justamente la que permite la constancia de la impedancia y que no dependa de la longitud.
En el caso de un cable coaxial, si quisiéramos extraer una parte de la señal mediante la inducción, debemos pasar un conductor interno, como se ve en la figura 14.
En estas condiciones tendremos en los extremos de este conductor la inducción de una tensión que depende del valor de la frecuencia de la serial que está transmitiendo.
Partiendo de esa configuración, podemos ir un poco mas allá y colocar un diodo y un instrumento como muestra la figura 15.
La polarización del diodo es tal que permite que se midan las señales que corren en un sentido. Lo que sucede es que, cortando parte de los semiciclos que corresponden a la reflexión o incidencia de la señal, podemos tener una indicación sólo de la serial incidente o de la señal reflejada.
Vea entonces que aprovechando este tipo de acoplamiento direccional puede saberse con facilidad cual es la "cantidad" de señal reflejada y con eso saber cual es la relación de ondas estacionarias. Basta conectar el acoplador de modo de medir las ondas "directas" y después invertir la conexión para "leer las ondas reflejadas" y establecer la relación.
Eso nos lleva entonces a la configuración final de un instrumento para esa finalidad, que se ve en la figura 16.
Se opera de manera muy simple: se coloca la llave selectora en la posición de ajuste, se mide la se ha! en el sentido transmisor antena (onda directa) y con eso ajustamos la escala para el valor de referencia, o sea 100% o 1
Después se invierte la posición de la llave, se mide la serial reflejada y se obtiene así una indicación directa de la relación de ondas estacionarias o del porcentaje de señal transferido.
Vea que la necesidad de ajustar el instrumento para el otro extremo de la escala en la condición de señal directa, hace que la sensibilidad del instrumento determine la potencia mínima que debe tener el transmisor para la operación.
Los instrumentos de este tipo están especificados para potencias mínimas en las que, operan para bandas determinadas de frecuencias.
Como la tensión inducida en el alambre interno del cable coaxial depende también de la potencia, puede usarse el mismo instrumento como indicador de potencia.
Basta entonces tener una referencia en la escala obtenida por calibración previa para que, en la posición de serial directa, tengamos posibilidades de medir directamente la potencia del transmisor.
MEDIDOR COMERCIAL DE ONDA ESTACIONARIA
Este aparato, como todos los que funcionan según los principios que describimos antes, se intercala entre el transmisor y la antena como se ve en la figura 17.
El cable interno por donde pasa la serial y que posee el acoplador direccional es de 50 Ω, lo que corresponde a la impedancia usada por la mayor parte de los sistemas transmisores.
Este instrumento puede operar en la banda de frecuencias que va de 3,5 MHz a 144 MHz, lo que permite la cobertura de las bandas de los radio aficionados y las de los servicios de comunicaciones en general.
La escala de ondas estacionarias abarca desde la relación 1 a 1 hasta la 1 a 3, y la máxima potencia admitida es de 200 watts.
La serial que pasa por el instrumento sufre una atenuación de solo 0,5 dB y la precisión de las medidas es de 10% en toda la escala.
OBSERVACIONES
Controle que el transmisor esté desconectado cuando vaya a conectar o desconectar el instrumento.
El mismo está calibrado para una carga de 50 Ω de impedancia.
En el caso en que el valor de la impedancia de los aparatos sea diferente, la lectura de la potencia transmitida se alterará.