“Eliminando el misterio y la mística de relación de onda estacionaria”

A veces parece que una de las más misteriosas criaturas en el mundo de la radioafición es el “Standing Wave Ratio”. En ocasiones se escucha en el aire discusiones de radioaficionados comparando sus medidas del SWR como si fuera un concurso. Parece que hay una competencia por obtener el 1:1 de cualquier forma. ¿Pero por qué? Este articulo esta escrito para ayudar a explicar que es el SWR, que lo hacen malo y cuando preocuparse por él.

¿Qué es el SWR?

El SWR es algunas veces llamado VSWR, “voltage standing wave ratio”, para los más técnicos. Ok, ¿pero que quiere decir? La mejor forma de explicar el SWR es con ejemplos. En la típica estación de radioaficionados, un transmisor es conectado a una línea de alimentación, que está conectada a una antena. Cuando tu activas el transmisor, el desarrolla voltaje de radiofrecuencia (RF) en la linea de transmisión. El voltaje viaja a la línea de alimentación a través de la línea de alimentación hasta el final y se llama “foward wave” (onda hacia adelante). En algunos casos, parte de ese voltaje se refleja en la antena y se propaga de vuelta en la línea en la dirección inversa al transmisor, muy parecido a un eco de voz en un acantilado. El SWR es una medida de que sucede a las ondas del voltaje “foward” y al voltaje “reflected” y como ellos se comparan en tamaño

Miremos qué sucede cuando un transmisor es conectado a un coaxial de 50Ω y a una antena de 50Ω. Por ahora pretendamos que el cable coaxial no tiene ninguna perdida y el transmisor está produciendo una señal de 1w en CW. Si miras la señal de la salida en un osciloscopio verá una señal sinusoidal. La amplitud de la onda está relacionada a cuánta potencia se produce. Una amplitud mayor en la onda significa más potencia. Esta onda de energía viaja por la línea de transmisión y alcanza la antena. Si la impedancia de la antena es 50Ω, al cable, entonces toda la energía es transferida al sistema de antena para ser irradiada. En cualquier lugar en la línea de alimentación en la que se mida, la forma de onda del voltaje medirá exactamente igual que la onda sinusoidal que viene del transmisor. Esto es llamado una condición de ajuste (“matching conditional”) y es lo que sucede en un SWR 1:1

Para el caso de las cargas resistivas el SWR puede ser fácilmente calculado como igual a la (carga R)/Z0 o como Z0/(carga R), cualquiera que de un resultado mas grande que o igual a 1.0.

La carga o la resistencia terminando es la resistencia del RF de lo que está en el extremo de la línea de alimentación. Esto puede ser una antena, un amplificador o un “dummy load”. La impedancia de línea es una impedancia característica de la línea de transmisión y es relacionada con la construcción física de la línea. El tamaño del conductor, el espacio entre conductores, que tipo de plástico que se usa en el aislamiento, que todos afectan la línea de impedancia. Generalmente el manufacturero pública la impedancia de la línea y tu como usuario no puedes cambiar esto.

Pero, ¿qué sucede si la antena no tiene 50Ω? Supongamos que la antena tiene 100Ω y el cable mantiene los 50Ω. El SWR para este sistema se calcula 100/50 o 2:1. Ahora la onda de energía llega a la antena y parte de esa energía es irradiada por la antena, pero otra parte es reflejada de vuelta en la linea al transmisor. Esto quiere decir que la antena no parea con la línea así que hay reflección. Resulta que para un SWR 2:1, el 33% de la onda de voltaje es reflejada como un eco de vuelta a la línea. La siguiente tabla muestra cuánto voltaje y potencia se refleja para varios valores de SWR.

SWR vs Voltaje Reflejado o Potencia
VSWRVoltaje Reflejado (%)Potencia Reflejada (%)
1.0:100
1.1:150.2
1.2:190.8
1.3:1131.7
1.4:1172.8
1.5:1204
1.6:1235.3
1.7:1266.7
1.8:1298.2
1.9:1319.6
2.0:13311
2.5:14318.4
3.0:15025
4.0:15636
5.0:16744.4
10.0:18267

En el caso de una condición de desajuste algo interesante sucede a través de la línea de transmisión. Antes con la antena ajustada , el mismo voltaje existe en toda la línea. . Ahora segunt aumenta la distancia de la línea, el voltaje cambia. Tiene valles y picos. El 33% de refleccion desde la antena alternativamente se añade y se quita de la onda del “forward voltage”. En algunos lugares en el cable el voltaje reflejado puede sumar 133% y en otros restar 66% de la salida del transmisor ajustado. La relación del voltaje es 133/66 o 2.0. Ese voltaje define el SWR. El hecho que el voltaje a través de toda la línea cambia con la posición y es diferente de lo que el transmisor puede producir se le llama onda estacionaria. La onda estacionaria solo está presente cuando la línea está desajustada.

¿Un SWR alto lleva a que una potencia menor sea transmitida?

No siempre tan dramáticamente. Lo creas o no, el 100 por ciento de la potencia se transmite actualmente en los dos ejemplos anteriores. En el primer caso, con una antena de 50 Ω, es fácil ver cómo se transfiere toda la potencia a la antena a ser irradiada ya que no hay reflejos. En el segundo caso, el 33 por ciento de reflexión del voltaje viaja de vuelta al transmisor, donde no se detiene sino que se re-reflejada desde el transmisor hacia la antena junto con la onda que va hacia adelante. La energía rebota en el interior del cable hasta que toda es irradiada por la antena para una línea de transmisión sin pérdidas. Un punto importante es darse cuenta de que con una línea de muy baja pérdida, no importa el SWR, la mayor parte de la potencia puede conseguir llegar a la antena. Un ejemplo más adelante mostrará cómo esto puede suceder.

¿Es el SWR alto malo o no?

Ahora que tienes una idea de lo que es el SWR, con algunos ejemplos se mostrará porque bajo ciertas condiciones, el SWR alto puede llevar menos potencia para irradiar y en otros casos no es gran cosa. La forma más fácil para ver cómo el SWR afecta un sistema de antena es para usar gráficos. El ARRL Handbook en el capítulo que discute las lineas de transmisión tiene mucho mas teoria que la que se presenta en este articulo, si quieres ser un experto en lineas de transmisión, es un libro que puede aprender más.

Entendiendo el SWR, KP3AV SystemsEn los ejemplos anteriores, la linea de transmision no tenia perdida y toda la potencia se llevaba a la antena. Esa es una buena forma de visualizar que sucede con las reflecciones, pero no es lo que sucede en el mundo real, porque todas las lineas de transmisión tienen algo de perdida. Una situación más real es un cable con 50Ω con una perdida total de 3dB (50% de potencia) y una antena de 50Ω. Lo que quiere decir que el SWR de 1:1. Transmitiendo 1W resulta en 0.5W aplicados a la antena. Como el SWR es 1:1 no hay que preocuparse por el desajuste. Una situación simple y no hay necesidad de gráficos.

Ahora tratemos con una antena de 100Ω con el mismo coaxial. El SWR es entonces de 2:1 en la antena es decir 100/50 – 2.0. Aquí debes tener un desajuste de 0.35 dB en adición a la pérdida del cable. En este caso tendríamos una pérdida de 3.35dB de nuestra señal y se enviarán a la antena 0.46 W no hay mucha diferencia del SWR perfecto 1:1

¿Que sucederia con un SWR 3:1 con el mismo cable? Tendríamos una pérdida adicional de 0.9 dB, lo que haría una pérdida total de 3.9 dB y 0.41W a la antena. Esto todavía sigue sin ser una pérdida adicional considerable aún con una pérdida de 3:1. Bajo la mayoría de las condiciones una reducción de 0.9 dB no se notaría en el aire. Aún con un SWR de 3:1 la señal no es significativamente reducida.

El SWR vs las tablas de pérdida hacen fácil ver cuál es la pérdida adicional que podrías tener en un sistema de antena si sabes cual es la pérdida del cable.

¿Esto es toda la historia?

No, no exactamente. Hay mucho más para explorar en el mundo del SWR. Una situación extraña ocurre en una línea de transmision larga y con mucha pérdida, lo que causa que tu SWR aparezca bien en tu transmisor aun cuando sea terrible en la antena. Es completamente posible tener una buena medida de SWR, una gran perdida en tu linea y no este saliendo potencia. Aquí unos ejemplos.

Entendiendo el SWR, KP3AV SystemsAcabas de instalar tu nueva antena de 2 metros y está alimentada con un cable de 120 pies de RG-8X. El manufacturero del cable dice que tiene 4.5dB de perdida para ese largo en las frecuencias de 2 metros. No es grandioso, pero lo aceptas. Mides el SWR en el transmisor y tiene 2:1 no que no es fabuloso, pero tampoco es terrible. Espera, ¿que tan malo es? ¿Recuerdas todas esas reflecciones yendo y viniendo en el cable? Antes te dije que eventualmente se irradian, pero eso es si el cable no tuviera pérdida. La historia es diferente ahora, tenemos perdida. Cada refleccion es atenuada en el cable por 4.5dB cada vez que llega a cada final del cable o 9dB ida y vuelta. La pérdida del cable atenúa las reflecciones y muere en el cable en vez de ser irradiado.

¿Cuan malo es eso realmente? Con un SWR en el transmisor de 2:1 y 4.5dB de perdida en el cable, se mostrara un SWR de 20:1 en la antena. La medida de un SWR 20:1 en la antena costara otros 7db de pérdida por desajuste. En realidad el sistema de antena que pensabas que tenia solo 4dB de perdida tiene 11dB. Lo que quiere decir que menos de 1/10 de la potencia del transmisor está siendo irradiada.

Si el mismo cable tiene un circuito abierto en vez de una antena y tiene varios cientos de pies de largo, el metro de SWR en el transmisor puede leer 1:1. ¿Por qué? Porque la pérdida en el cable tiende a hacer que un cable muy largo parezca a una resistencia virtual al transmisor como en las reflecciones mueren en el cable. Recuerda, sin reflecciones se ve como un SWR de 1:1. El valor de esa resistencia virtual en este caso es de 50Ω lo que es la definición de una impedancia característica o porque algunos cables son de 50Ω y otros son de 75Ω o 300Ω. Estos números es la impedancia que el RF vería si el cable fuera largo infinitamente. También es la resistencia de la carga necesaria para que no haya energía reflejada y ajustar tu cable.

La moraleja de la historia es medir el SWR en la antena, especialmente si usas cables muy largos. Las medidas del SWR en el transmisor pueden ser engañosas. La segunda moraleja es conocer que cuando los manufactureros citan los números de perdida, estan basados en un SWR 1:1 o un ajuste perfecto. Todo lo que no sea un ajuste perfecto provoca perdidas.

¿Porque las “lineas de escalera” trabajan con SWR alto?

Los cables de lineas abiertas, se han usado desde los primeros años de la radio. Hay una buena razón para ello, la pérdida de este tipo de cable es baja en las frecuencias de HF, mas baja que todos los cables pero aun mas baja que un cable coaxial. Por ejemplo, una cable de 300 pies de 450Ω tiene un pérdida de menos de 0.5dB en 30 MHz cuando se ajusta. Un cable coaxial de buena calidad puede tener 1 dB de perdida en el mismo largo, pero muchos cables de usados por los radioaficionados tienen mas de 2 dB de atenuación bajo estas condiciones. Esto es así porque la pérdida baja que el dieléctrico que en este caso es aire tiene en la línea puede ser usado efectivamente en antenas que tienen SWR alto. La baja pérdida en este tipo de línea permite que la mayoría de las reflexiones se irradian en vez que se pierdan en el cable.

Un último ejemplo muestra cómo esto trabaja. Tu has instalado un dipolo para HF de una onda completa, para alimentarlo usas 300 pies de cable de 450Ω con una perdida de 0.5dB en 30 Mhz. Tu has modelado tu antena para 10 metros y tienes una impedancia en 4500Ω, lo que corresponde a un SWR de 4500/450 o 10:1 en la linea. Muy mal, ¿no? No tan rapido. Si sabes que tu perdida ajustada es de 0.5 dB muestra una perdida adicional de 0.9 dB en un SWR de 10:1. La pérdida total del sistema de antena es de 1.4 dB. Lo que es no es tan malo. Añade un “tuner” para linea balanceada y estas listo para ir al aire.

Tu amigo sabelotodo decide instalar la misma antena pero él usa el mejor y más caro coaxial en su antena que está a sólo 40 pies de distancia de su radio y al que no le gusta el aspecto de “línea de escalera”. Su coaxial tiene una perdida de .25 dB, lo que es igual a la mitad del que tiene tu línea. El se da cuenta que puede usar un “tuner” para que se encargue del ajuste. Tu sabes que la antena de 4500Ω presentara un SWR de 90:1 en el cable de 50Ω resultando en una pérdida de desajuste de 12 dB por encima de los 0.25dB de perdida en el cable. Si el puede ajustar con el “tuner” 1:1 pero ¿adivina quien podrá trabajar los DX?

Conclusión

Espero que haya podido mostrar por ejemplos que el SWR puede ser un asunto serio o algo no tan importante. Con la ayuda de los gráficos y un poco de información acerca de tu línea de transmisión y la antena, es fácil determinar cuanta señal esta saliendo al aire y cuanta señal se esta perdiendo en la linea de transmision.

Tomado del QST, escrito por Darrin Walrave – K5DVW, con licencia desde 1985 a la edad de 18 años. Disfruta el DX, el CW y SSB. El tiene un grado de ingeniería de ;a Universidad A&M de Texas y esta empleado como ingeniero de diseño de RF. Lo puedes contactar en [email protected]