Rapporto di onde stazionarie
Figura 1: Schema del circuito equivalente di una linea collegata a un generatore
Figura 1: Schema del circuito equivalente di una linea collegata a un generatore
Rapporto di onde stazionarie
Il rapporto di onde stazionarie (in inglese: Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) è una misura dell'accoppiamento di un carico (ad esempio, un'antenna) con una linea.
Le onde stazionarie si formano sulle linee se queste vengono fatte funzionare in modo non corrispondente. Se in un sistema RF c'è corrispondenza ovunque, l'intera potenza dalla sorgente al ricevitore viene trasmessa senza perdite. Tuttavia, poiché nella pratica non è mai possibile ottenere un accoppiamento assoluto, la tecnologia si occupa dei problemi che si verificano in caso di disaccoppiamento.
Per semplicità, si utilizzano due casi estremi di disadattamento:
- la linea in cortocircuito alla fine e
- la linea vuota alla fine.
Figura 2: Variazione della tensione nel tempo su una linea HF (la cosiddetta onda viaggiante)
Figura 2: Variazione della tensione nel tempo su una linea HF (la cosiddetta onda viaggiante)
Prima di esaminare in dettaglio questi casi speciali, è necessario chiarire cosa accade teoricamente in una linea infinitamente lunga quando viene immessa un'oscillazione RF. Deve esserci corrispondenza di potenza (Ri = ZL).
Al momento dell'accensione, il generatore inizia a inviare la sua potenza alla linea (vedi Fig. 2). Al tempo t = 0, la tensione deve avere il suo valore minimo. Questo valore di tensione viaggia lungo la linea con la velocità di propagazione dell'onda. Quest'onda è chiamata onda viaggiante. È caratterizzata dal fatto che lo stesso segnale può essere misurato qualitativamente in ogni punto della linea.
Corrispondenza della linea
Se la linea è terminata con una resistenza Ra grande quanto l'impedenza caratteristica ZL della linea, l'intera potenza viene convertita nella resistenza Ra.
Se la linea è in cortocircuito, l'intera potenza in ingresso viene riflessa. Se l'estremità della linea è aperta, cioè la resistenza di terminazione si avvicina all'infinito, anche la potenza viene completamente riflessa. In questo caso si verifica anche un salto di fase di 180°.
Figura 3: Un cavo disadattato collegato a un generatore
Figura 3: Un cavo disadattato collegato a un generatore
Disadattamento
Cosa succede a un'onda se non c'è corrispondenza, ma non c'è nemmeno un cortocircuito diretto o un circuito aperto, ad esempio con una resistenza di terminazione di 50 Ω su un sistema di linea di 75 Ω ?
Il generatore fornisce la potenza Pgen. Questa viene suddivisa al punto 1 secondo la seguente equazione:
PRi = PZL = ½ Pgen |
La potenza PZL = Pavanti si muove lungo la linea e raggiunge la resistenza Ra. Tuttavia, questa è più piccola rispetto a quella di accoppiamento. Pertanto, non può assorbire l'intera potenza e convertirla in calore. Rimane una parte di PZL, che viene riflessa nel punto 2 e ritorna al generatore come Pindietro.
In questo caso, e sempre quando ZL non è uguale a Ra, una parte dell'onda viaggiante viene riflessa, indipendentemente dal fatto che Ra > ZL o Ra < ZL. In questo caso si parla di disadattamento.
Interferenza
Il segnale in uscita (blu) e il segnale di ritorno (azzurro) si sovrappongono. A seconda della posizione di fase delle onde di andata e di ritorno, entrambe le onde possono sommarsi a una più grande o sottrarsi a una più piccola. Di conseguenza, sul cavo si formano a intervalli regolari massimi di tensione Umax (picchi d'onda) e minimi di tensione Umin (cali d'onda) localmente costanti. In caso di disadattamento estremo, ad esempio se il cavo è aperto o cortocircuitato all'estremità, si verifica una riflessione totale che può portare le due onde a sommarsi in un'onda due volte più grande o ad annullarsi a vicenda. Poiché la tensione dell'onda stazionaria aumenta fino a raggiungere il doppio del valore della tensione di uscita, questa tensione può sovraccaricare lo stadio di uscita del generatore se viene utilizzato in modo errato e, in alcune circostanze, può addirittura distruggerlo.
Figura 4: Creazione di un'onda stazionaria mediante la sovrapposizione dell'onda principale con l'onda di ritorno (riflessa)
Figura 4: Creazione di un'onda stazionaria mediante la sovrapposizione dell'onda principale con l'onda di ritorno (riflessa)
Per capire meglio il grado di disadattamento nella pratica, sono stati definiti il fattore di riflessione r e il Rapporto di onde stazionarie s. Quest'ultimo si calcola in base al rapporto tra tensione massima e minima. La tensione massima corrisponde alla somma della tensione di andata e di ritorno, mentre la tensione minima è determinata dalla differenza tra le due componenti di tensione.
|r| = | Uindietro | = | |Ra-ZL| |
Uavanti | |Ra+ZL| |
s = | Umax | = | Uavanti · (1+r) | = | (1+r) |
Umin | Uavanti · (1-r) | (1-r) |
Un rapporto di onde stazionarie pari a 1,00 corrisponde quindi a una corrispondenza ottimale. In caso di mancata corrispondenza, il valore numerico del rapporto d'onda stazionaria aumenta. Un rapporto d'onda stazionaria di 1,1-1,2 è ancora un valore abbastanza buono. In caso di disadattamento totale, il rapporto d'onda stazionaria va all'infinito.
A questo punto sorge un problema di misurazione: il segnale (il grafico rosso della Fig. 4) non può essere misurato con la stessa qualità in ogni punto della linea. Ci sono punti in cui il segnale di un'onda stazionaria può essere misurato bene e altri in cui è meno misurabile, forse addirittura non lo è affatto.
Poiché la potenza può essere misurata meglio della tensione a partire da circa 1 GHz, nella tecnologia ad alta frequenza si utilizza il rapporto di potenza dell'onda stazionaria (PSWR). Tuttavia, il nome è fuorviante, poiché la distribuzione della potenza sul cavo non segue l'andamento della tensione.