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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