VSWR explicado: Por qué importa la adaptación de impedancia en los sistemas RF

La relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) es uno de los indicadores más importantes del rendimiento del sistema de antena, junto con la ganancia de antena (dBi). El VSWR proporciona información sobre la eficiencia de la transferencia de potencia RF desde un transmisor, a través del cable y los conectores de la antena, y finalmente hacia la propia antena.

Cuanto menor es el VSWR, más eficiente es el sistema de antena. Un VSWR bajo indica que la mayor parte de la potencia transmitida es irradiada por la antena en lugar de reflejada hacia la fuente.

• VSWR es una medida de la eficiencia de la transferencia de energía de RF desde su fuente a una antena (que puede incluir la transmisión de energía de RF a lo largo de una antena, cable, adaptador y conectores).
• La ROE y la pérdida de retorno son dos parámetros utilizados para determinar si una antena se ajusta efectivamente a la impedancia internamente y al cable o conectores de la antena (línea de transmisión de señal) a la que está conectada.
• Para que un receptor o transmisor de radio suministre energía a una antena, la impedancia de la radio y el cable de la antena deben coincidir bien con la impedancia de una antena.
• 50 ohmios es la impedancia correcta para antenas y cables de antena para todas las siguientes aplicaciones: WiFi  (802.11AC, N, G, A, B), LTE (4G), GSM (3G), ISM, Protocolos inalámbricos IoT Incluido Bluetooth, RFID Lora NB-IoT, ZigBee,  LTE-m. Todas las antenas, cables de antena y adaptadores de Data Alliance tienen una impedancia ajustada a 50 ohmios.
• A menudo, hay un rango de ancho de banda que las antenas deben satisfacer y se define en términos de VSWR.

VSWR: Adaptación de impedancia en antenas y cables de antena

¿Qué es VSWR?

VSWR (Relación de Onda Estacionaria de Voltaje) mide la eficiencia de la transmisión de potencia por radiofrecuencia (RF) desde su fuente, a través de una línea de transmisión (como un cable coaxial), hasta una antena.

En un sistema RF perfecto, el 100% de la potencia RF se transmitiría a través de una línea de transmisión teóricamente sin pérdidas hacia la antena. Sin embargo, en sistemas reales, las desadaptaciones de impedancia entre componentes hacen que una parte de la energía de RF se refleje de vuelta hacia la fuente.

VSWR cuantifica este comportamiento expresando la relación entre la tensión máxima y la tensión mínima a lo largo de la línea de transmisión causada por ondas reflejadas.

• VSWR = 1,0: 1 → Ajuste perfecto de impedancia, sin potencia reflejada
• VSWR > 1.0 → Niveles crecientes de desajuste y potencia reflejada
• VSWR → ∞ → Desajuste total de impedancia

En la mayoría de los sistemas prácticos de comunicación RF e inalámbrica, un VSWR de 2,0 o menos se considera generalmente aceptable para antenas.

La VSWR varía desde una relación de 1, que indica un sistema sin impedancia entre componentes, hasta un desajuste absoluto donde la VSWR es cualquier cosa hasta ∞. Un valor de VSWR de 2 o inferior suele ser aceptable para las antenas de los sistemas de comunicaciones.

Cuanto más baja sea la ROE, mejor se adaptará la impedancia de la antena a la línea de transmisión y mayor será la potencia entregada a la antena. Además, una pequeña ROE reduce los reflejos de la antena. 1.0 es el VSWR mínimo donde no hay energía reflejada, y es la condición ideal para una antena.

La pérdida de retorno, medida en dBi, que es un indicador de cuánta potencia incidente se refleja en la fuente de la señal, funciona de manera opuesta a la VSWR. Cuanto mayor sea la pérdida de retorno, más potencia tendrá una antena, lo que significa que perderá menos potencia e intensidad de la señal. La baja pérdida de retorno afecta a la capacidad de radiación de la antena, lo que a su vez afecta a la eficiencia de la transmisión. En general, para que una antena tenga una buena intensidad de señal y un rendimiento eficiente, la VSWR debe ser baja mientras que los dBi deben ser altos.

VSWR relacionado con la ganancia de antena (dBi): El valor dBi es una medida de la ganancia de una antena: La ganancia de antena es una métrica de rendimiento que representa el rendimiento combinado de la eficiencia eléctrica y la directividad de una antena. Dependiendo del tipo de antena (transmisora vs. receptora), la ganancia describe la capacidad de conversión de una antena, es decir, convertir la energía eléctrica en ondas de radio o las ondas de radio en energía eléctrica.

Para que haya una transferencia de potencia máxima (entre el transmisor/receptor, el cable y la antena), la impedancia de carga del transmisor/receptor debe coincidir con la impedancia del cable. La impedancia de carga del cable también debe coincidir con la impedancia de la antena. Si hay una coincidencia de carga perfecta, esto dará como resultado una ganancia de antena (intensidad de señal perfecta y eficiencia de la antena). Cualquier desajuste de carga provoca una pérdida de transferencia de energía.

La ganancia se mide en decibelios (dBi). El valor de dBi refleja la directividad de la antena, así como la eficiencia eléctrica, diferenciando entre antenas transmisoras y receptoras para mejorar la caracterización del rendimiento de la antena.

Adaptación de impedancia a 50 ohmios

• La impedancia es la oposición que encuentra la energía eléctrica a medida que se aleja de su fuente.
• La sincronización de la carga y la impedancia de la fuente cancelará el efecto, lo que conducirá a la máxima transferencia de potencia.
• Esto se conoce como el teorema de transferencia de potencia máxima: el teorema de transferencia de potencia máxima es crítico en los ensamblajes de transmisión de radiofrecuencia y, en particular, en la configuración de antenas de RF.

La adaptación de impedancia es fundamental para el funcionamiento eficiente de las configuraciones de RF en las que se desea mover el voltaje y la potencia de manera óptima. En el diseño de RF, la coincidencia de las impedancias de fuente y carga maximizará la transmisión de potencia de RF. Las antenas recibirán una transferencia de potencia máxima u óptima cuando su impedancia coincida con la impedancia de salida de la fuente de transmisión.

La impedancia de 50 ohmios es el estándar para diseñar la mayoría de los sistemas y componentes de RF. El cable coaxial, que sustenta la conectividad en una variedad de aplicaciones de RF, tiene una impedancia típica de 50 ohmios. La investigación de RF realizada en la década de 1920 encontró que la impedancia óptima para la transferencia de señales de RF estaría entre 30 y 60 ohmios dependiendo del voltaje y la transferencia de potencia. Al tener una impedancia relativamente estandarizada, permite la coincidencia entre el cableado y componentes como antenas WiFi o Bluetooth, PCB y atenuadores. Varios tipos de antenas clave tienen una impedancia de 50 ohmios, incluidos ZigBee, GSM, GPS y LoRa.

Un desajuste en la impedancia conduce a reflexiones de voltaje y corriente, y en configuraciones de RF esto significa que la potencia de la señal se reflejará de regreso a su fuente, la proporción es de acuerdo con el grado de desajuste. Esto se puede caracterizar utilizando la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR), que es una medida de la eficiencia de la transferencia de energía de RF desde su fuente a una carga, como una antena.

La falta de coincidencia entre las impedancias de la fuente y la carga, por ejemplo, una antena de 75 ohmios y un cableado coaxial de 50 ohmios, se puede superar utilizando una variedad de dispositivos de adaptación de impedancia, como resistencias en serie, transformadores, almohadillas de adaptación de impedancia montadas en superficie o sintonizadores de antena.

En electrónica, la adaptación de impedancia implica crear o alterar un circuito o una aplicación electrónica o un componente configurado para que la impedancia de la carga eléctrica coincida con la impedancia de la fuente de alimentación o de accionamiento. El circuito está diseñado o engranado para que las impedancias parezcan iguales.

Conectores RF y cables coaxiales para IoT inalámbrico

El rendimiento de la VSWR no se determina únicamente por la antena. Los conectores RF y los cables coaxiales desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento de la continuidad de impedancia a lo largo de la ruta de la señal.

Conectores de mala calidad, tipos de cable incorrectos o instalaciones incorrectas pueden aumentar significativamente el VSWR, incluso cuando la antena está bien diseñada.

Para sistemas IoT e inalámbricos, seleccionar cables y conectores coaxiales de alta calidad de 50 ohmios es esencial para mantener un bajo VSWR, una alta pérdida de retorno y un rendimiento fiable del sistema.

Conclusión

VSWR es una métrica crítica para evaluar la eficiencia de la antena, la adaptación de impedancias y el rendimiento general del sistema RF. Un VSWR bajo indica una transferencia eficiente de potencia, reflexiones mínimas y un funcionamiento óptimo de la antena.

Utilizando antenas, cables, conectores y adaptadores de 50 ohmios correctamente adaptados, y comprendiendo cómo el VSWR se relaciona con la pérdida de retorno y la ganancia de antena, los diseñadores e instaladores de RF pueden garantizar sistemas inalámbricos fiables y de alto rendimiento.

Al diseñar o instalar sistemas RF, siempre busque en:

• VSWR bajo
• Alta pérdida de retorno
• Ganancia de antena adecuada

• Impedancia constante de 50 ohmios a lo largo del camino de la señal