Relación de Ondas Estacionarias

El tema del día de hoy es un término muy usado en las actividades de radioaficionados pero que generalmente no es bien comprendido, me refiero a “relación de ondas estacionarias” abreviado como “ROE”. En ingles se abrevia como “SWR” que corresponde a “Standing wave ratio” que es una traducción literal del término.
La cuestión se refiere a que uno dispone de un transmisor que genera corrientes de radiofrecuencias con una potencia dada y esta corriente debe ser enviada a una antena que se encarga de convertir esta corriente en ondas electromagnéticas y transmitirlas al éter. Entre el transmisor y la entena utilizamos algo llamado “línea de transmisión” que tiene una longitud necesaria para conectar el transmisor a la antena y debe tener muy baja pérdida para que casi toda la energía generada por el transmisor sea efectivamente transferida a la antena.
La línea de transmisión se hace generalmente con alambre de cobre para reducir las pérdidas por resistencia de los conductores. Hay dos tipos comúnmente usados por los radioaficionados: El cable coaxial y la línea abierta o paralela hecha de un par de hilos igualmente espaciados.
Si nosotros alimentamos la línea de transmisión con corriente continua la perdida de energía en la línea de transmisión seria proporcional a la resistencia de los alambres usados, pero como nosotros en radio alimentamos la línea de transmisión con una corriente variable de frecuencias elevadas entonces se presenta otros fenómenos que no existen cuando se usa corriente continua.
Cuando el transmisor coloca un voltaje en su extremo de salida, esta va a viajar por la línea de transmisión hacia el otro extremo, lo cual le toma un tiempo. Cuando el voltaje llegue al extremo lejano el transmisor ha cambiado su voltaje porque él está oscilando. Esto quiere decir que si nosotros miramos la línea de transmisión en un instante dado su distribución de voltaje, en su longitud, no es la misma. La distribución tiene la forma de una onda y podemos decir que por la línea de transmisión viaja una onda.
Mientras la ondas eléctricas estén viajando por la línea de transmisión, ellas se propagan con casi nula pérdida, pero al llegar al extremo, este se acopla a otro elemento, nuestro caso la antena. La corriente al llegar al punto de acoplamiento detecta cambios en las condiciones por donde estaba viajando y parte de la corriente tiende a reflejarse, es decir a devolverse hacia el transmisor y no pasa a la antena. Para evitar que parte de la corriente se retorne debemos procurar que las características de la línea de transmisión y la antena sean lo más parecidas posibles. La característica se conoce como impedancia. Las líneas de transmisión tienen una impedancia característica (50 ohm para cables coaxiales, 300 a 600 ohm para líneas abiertas).
Para lograr que la corriente (la potencia) no se retorne en el punto de acoplamiento es necesario que la impedancia de la antena en su punto de alimentación sea lo más igual a la impedancia de la línea de transmisión. La palabra en inglés para igualar es “match” y de ahí se ha derivado el término castellanizado de “machar” la antena.
Tenemos dos casos de estudio: el primero es cuando el extremo de la línea de transmisión está abierta (caso de la antena desconectada), entonces decimos que la impedancia de la antena es infinita. Para este caso una carga eléctrica que llegue a este extremo no le queda otro camino sino regresarse, es decir que toda la corriente que llega se regresa. La corriente reflejada es igual a la corriente que llego.
El segundo caso es cuando la línea de transmisión es terminada en corto-circuito, o lo que es lo mismo termina en una impedancia cero. Para este caso toda la corriente que arriba por un conductor es retornado por el otro conductor, por lo tanto la corriente directa es igual a la corriente reflejada.
Entonces tenemos que si la impedancia acoplada a la línea de transmisión es cero o infinita, toda la energía que llega es totalmente reflejada. Si la impedancia no es cero ni infinita entonces solo parte de la energía será reflejada. Cuando la impedancia de la antena acoplada es igual a la impedancia de la línea de transmisión, entonces la corriente en el punto de acoplamiento no detectara ninguna diferencia y toda será transferida a la antena, es decir la energía reflejada es cero.
Obsérvese que la corriente reflejada (o energía reflejada) no está en fase con la corriente que va directa. Si nosotros consideramos un punto intermedio de la línea de transmisión, la fase de la corriente directa depende de la longitud desde el transmisor a ese punto, mientras que para la reflejada la fase depende de la longitud desde el extremo al punto que estamos analizando.
Entonces tenemos que a través del cable hay lugares en que la corriente es la suma de la directa y la reflejada pero hay otros lugares en donde la corriente es la diferencia entre la corriente directa menos la reflejada. La corriente en cualquier punto del cable cambia entre estos dos valores extremos y tiene la forma de una onda entre estos dos valores y se vería como una onda que no se desplaza por lo cual se dice que la línea de transmisión presenta una “onda estacionaria” es decir que no se mueve.
Para expresar una magnitud de la onda estacionaria se decidió dar la relación entre la suma de la energía directa más reflejada dividido por el resultado de la resta de la directa menos la reflejada.
Por lo tanto la “Relacion de onda estacionaria” o ROE o SWR es el resultado de medir la energía directa y la energía reflejada y calcular la división de la suma de esta dos energías por la resta de ellas.
Si la energía reflejada es nula (o cero) entonces la suma de la energía directa con cero es igual a la energía directa menos cero y la relación será de uno (1). Es lo mismo que decir que los máximos y mínimos a través de cable son iguales y que el flujo de energía por el cable es uniforme y que no hay ondas estacionarias.
Si la energía reflejada es igual a la energía directa, la suma será dos veces la energía pero la resta será cero. Dividir cualquier valor por cero da un valor infinitamente grande, entonces la “relación de ondas estacionarias” será infinita y sobre la línea de transmisión tendremos una onda estacionaria muy marcada con puntos del doble de energía y puntos con energía cero.
Tenemos otro caso: si la energía reflejada es la mitad de la energía directa, entonces. La suma será 1.5 veces la energía directa y la resta será 0,5, la división será entonces de tres (3). Por lo tanto una relación de onda estacionaria o ROE de 3 significa que la mitad de la energía enviada hacia adelante es reflejada. Podemos decir también que la antena solo recibe la mitad de la energía, la otra mitad se queda estacionada en la línea de transmisión. Esta es la razón para considerar a 3 como el punto para decir que hay alta o baja ROE. Si el ROE es menor a 3 entonces la antena recibe más de 50 % de la energía transmitida, si el ROE es mayor a 3 la energía en antena será menor al 50%.
Para anotar, las antenas no tiene ondas estacionaria, esta se presenta es en la línea de transmisión y es causada por un mal acoplamiento entre antena y línea de transmisión. Para evitarlas se recurre a acopladores que permitan transformar la impedancia de la línea de transmisión con la antena. Algunos acopladores son “transformadores” que son dispositivos que transforman las impedancias de acuerdo a la relación de numero de espiras que tiene. Hay otros acopladores que se llaman “sintonizadores de antena” que consiguen mediante circuitos con bobinas y condensadores alterar la impedancia de la antena para que iguale a la línea de transmisión.
No es cierto que la energía reflejada se regrese al equipo de transmisión y lo queme, ni tampoco es cierto que una onda estacionaria cause interferencia ya que esto es una onda que permanece estática sobre la línea de transmisión.
Lo que pasa en la práctica es que los trasmisores modernos han sido normalizados para que tengan una impedancia siempre de 50 ohm. La impedancia optima de trabajo de los tubos o transistores amplificadores de potencia es diferente de 50 ohm por lo tanto el diseñador del equipo pone un transformador de impedancia para adaptarla a los 50 ohm de salida. Si nosotros le conectamos una línea de transmisión con ondas estacionarias la impedancia que la línea le presenta al transmisor no son 50 ohm y la impedancia presentada a los tubos o transistores no será la óptima con que fue diseñado, entonces la etapa final. El resultado puede ser que la etapa final trabaje con baja eficiencia lo que repercutirá en sobrecalentamientos que dañen el equipo, o que la etapa final no trabaje con linealidad lo que produce emisión de frecuencias espurias que son las causantes de interferencia.

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Clasificación de emisiones de Radio

Cuando nosotros trasmitimos por radio utilizamos uno de los varios tipos de modulación existentes y en el lenguaje cotidiano decimos que estamos usando “Amplitud Modulada” (AM), “Frecuencia Modulada” (FM), “Banda Lateral” (USB o LSB), etc.  Estas expresiones son muy genéricas y no son precisas cuando se tratan de especificaciones de equipos, reglamentaciones y trabajos de ingeniería.  En estos últimos casos la modulación se especifica como “Tipo de Emisión” y se indica por una combinación de tres caracteres compuesto de una letra, un número y una letra final.

Por ejemplo, el decreto 0963 del 2009 que reglamenta a los radioaficionados de Colombia en su artículo 34 se refiere a los tipos de emisión permitida para los operadores novicios en 40 metros son A3A, R3E, J3E y F3E.  A continuación quería explicar el significado de estos términos.

La Unión Internacional de Telecomunicaciones referida generalmente por sus siglas UIT es un organismo de las Naciones Unidas encargada de regular las telecomunicaciones a nivel internacional y emite “recomendaciones” que aunque no son de estricto complimiento generalmente son incluidas en las reglamentaciones de los países miembros.

La UIT ha reglamentado una codificación para indicar los tipos de emisión. Este se da por tres caracteres, el primero de los cuales denota el tipo de modulación de la portadora principal, el segundo, el tipo de modulación de la portadora  y, el tercero, el tipo de información a transmitir.

Primer símbolo es una letra que indica el tipo de modulación de la portadora principal con los siguientes significados:

N            Portadora sin modulación

A             Portadora modulada en amplitud, con doble banda lateral y portadora completa, incluyendo casos de sub-portadoras moduladas en frecuencia.

B             Bandas laterales independientes.

C             Banda lateral vestigial.

D             Emisiones en que la portadora principal esta modulada en amplitud y ángulo (frecuencia o fase), ya sea simultáneamente o de acuerdo a una secuencia prestablecidas.

F             Modulación angular (frecuencia)

G            Modulación angular (fase).

H             Banda lateral única con portadora completa.

J              Banda lateral única con portadora suprimida.

K             Secuencia de pulsos modulados en amplitud.

L              Secuencia de pulsos modulados en anchura o duración.

M           Secuencia de pulsos modulados en posición (fase).

Q            Secuencia de pulsos en que la portadora esta modulada en angulo durante el periodo del pulso.

R             Banda lateral única con portadora reducida o de nivel variable,

V             Combinaciones de las anteriores modulaciones de pulso o modulación de pulsos producidas por otros medios.

W           Casos de modulación de pulsos no cubierto en los anteriores, en que la emisión consiste de la portadora modulada, ya sea simultáneamente o en secuencia prestablecida , en combinación de dos o más de los modos siguientes de modulación: amplitud, ángulo o de pulsos.

X             Casos de modulación no cubiertos.

El segundo carácter es un numero según el tipo de señal que modulan a la portadora principal. Estos son los significados:

0    Ausencia de modulación (onda continua).

1    Un canal con información digital o cuantizada, sin emplear una sub-portadora modulada, excluyendo al multiplexado por división de tiempo.

2    Un canal, con información digital o cuantizada, empleado una sub-portadora modulada, excluyendo el multiplexado por división de tiempo.

3   Un canal con información analógica.

  • Dos o más canales con información digital o cuantizada.
  • Dos o más canales con información analógica.

El tercer carácter, es una letra, y se refiere al tipo de información a trasmitir. Los significados son:

N            Ausencia de información.

A             Telegrafía para recepción acústica.

B             Telegrafía para recepción automática.

C             Facsímil.

D             Transmisión de datos, telemetría, tele comando.

E             Telefonía, incluyendo radiodifusión sonora.

F             Televisión (video).

W           Combinación de las anteriores.

X             Casos no cubiertos por los anteriores.

Ejemplos:

La telegrafía transmitida onda continua (CW) por interrupción de la portadora recibe la denominación A1A que corresponde la primera A a que es una portadora modulada en amplitud, el uno corresponde a una información digital o cuantizada y la última A indica que la información es Telegrafía para recepción acústica, es decir para el oído de los humanos. En cambio la denominación A1B seria telegrafía pero para recepción automática como es el caso de RTTY.

En el caso de Amplitud Modulada, AM, la primera letra seria la A por ser portadora modulada en amplitud, el segundo digito seria el 3 porque la modulación es analógica y el ultimo carácter seria E porque la información contenida es voz. Entonces para la AM su denominación es A2E.

Para el caso de Frecuencia Modulada, FM, su denominación es F3E. Cambia la A por F pero conservamos el 3 de información análoga y la E que corresponde a voz (fonia).

Las transmisiones de banda lateral única, LSB o USB, se denominan J3E. La primera letra J hace referencia a que es una  banda lateral sin portadora.