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Wattimetro Bird TrulineA medição da relação de tensão de onda estacionária (ROE ou VSWR - Voltage Standing Wave Ratio) tem sido desde há muito considerada como o indicador mais universal da saúde dos sistemas de transmissão.

 

Embora seja possível utilizar instrumentos de precisão de medição de reflexão, tais como analisadores de rede vetoriais para fazer medições de alta qualidade em sistemas inativos, a medição da VSWR num sistema em operação é tipicamente realizada através da utilização de dispositivos de medição direcionais inseridos na linha de transmissão.

Neste artigo, vamos explicitar as considerações práticas mais importantes quando se efetua medições de VSWR utilizando dispositivos de linha direcionais, bem como fornecer algumas recomendações quanto à aplicação destas técnicas.

Definição de VSWR

A título de definição, VSWR é uma medida da relação entre os valores mínimos e máximos encontrados numa linha de transmissão típica.  O padrão de onda estacionária é obtido como um resultado entre a interação da onda que caminha em direção à carga com a onda refletida pela carga, andando em direção ao transmissor.

Formas de Onda: Direta, Refletida e Composta


Para efetuar a medição, a técnica mais comum usada hoje é derivar amostragens da onda direta (que caminha em direção à carga) e da refletida (em direção ao transmissor) utilizando na linha algum tipo de medidor direcional.

Esta técnica tem sido usada por mais de 60 anos com bons resultados, especialmente nos casos em que os medidores de direcionais são cuidadosamente selecionados para aplicações de acordo com o tipo de sinal, frequência e faixa de potência.

Embora essa técnica esteja bem estabelecida, há várias considerações importantes ao fazer essas medições que ajudarão a garantir medições de alta qualidade.

Algumas delas são:
1) Precisão - Qual é a precisão básica do medidor de potência direcional para ser usado?
2) Faixa dinâmica - qual o intervalo de medições de potência em que o instrumento manterá a sua precisão nominal?
3) Diretividade  - Qual é a diretividade do acoplador direcional que forma o centro do sistema de medidor de potência?
4) Tipo de Sinal - Quais são as características dos sinais que estão sendo medidos?
5) Localização - Onde fica a localização do medidor de potência dentro do sistema de transmissão?

Precisão do medidor de potência

Quando se usa um medidor de potência direcional para a medição VSWR, o valor é calculado baseado nos valores de potência direta e refletida de acordo com a seguinte fórmula:

$$ VSWR= \frac{1+\sqrt{\frac{P_R}{P_F}}}{1-\sqrt{\frac{P_R}{P_F}}}$$

PF e PR são os valores de potência direta (forward) e refletida (reflected) respectivamente, amostrados pelo medidor de potência.  Com base na fórmula acima, é evidente que a precisão de base do medidor de potência terá um efeito direto sobre a medição VSWR.

Além disso, a precisão do medidor de potência deve ser considerada em toda a faixa dinâmica do instrumento, mais do que simplesmente a precisão do medidor de potência a um único ponto.

O melhor é a utilização de um exemplo para ilustrar este ponto: As instruções de precisão da maioria dos medidores de potência direcionais baseiam-se em uma percentagem do fundo de escala do instrumento, ou como uma percentagem da leitura atual, conforme determinado pelo manual do fabricante do medidor.

Considere um sistema em que há dois medidores, um de potência direta com um fundo de escala de 1KW e precisão de + / -5% do fundo de escala e outro, de medição de potência refletida, com  um fundo de escala de 100W e precisão de + / -5% do fundo de escala

Então, se o medidor de potência direta em particular é especificado para medir 1 kW no fundo de escala potência e a precisão nominal do instrumento é de + / -5% do fundo de escala,  então o erro possível do instrumento na escala completa seria + /-50W, o que significa que o instrumento pode fornecer uma leitura entre 950W e 1050W e permanecer dentro das especificações nominais.

Usando a mesma abordagem, se o medidor de potência é operado a 500W o erro permaneceria em + /-50W, e as leituras poderiam estar em qualquer lugar entre 450W e 550W, que se traduz em um erro de + / -10%.

Uma vez que a medição VSWR é composta de leituras direta (forward) e refletida (reflected), a exatidão da medição de potência refletida deve também ser considerada.

Aplica-se o mesmo para o caso da medição da potência refletida, na qual a a precisão da medição em escala completa é de + / -5%, mas este erro expande-se para um valor consideravelmente maior do que + / -5% quando a medição é feita numa fração da escala.

Para ilustrar o efeito que a precisão medidor de potência tem sobre medição de VSWR, considere o seguinte exemplo:

Considerando o nosso sistema transmissor de 1 kW, se desejamos medir um valor de VSWR de 1.1 com o sistema de medição acima descrito, isto significa que a potência refletida associado a este valor VSWR seria de 2.26 Watts para uma potência potência direta de 1 kW.

Se o nosso medidor de potência tem uma precisão especificada de + / -5% de fundo de escala , a leitura VSWR real irá variar de 1,09 até  1,19 baseada somente na precisão do instrumento .

Faixa de VSWR para Medidor de Potência - VSWR = 1.1
Especificação do Instrumento Faixa da Potência Refletida (W) Faixa do VSWR
% Fundo de Escala 0 a 7.26 1.00-1.19
% Leitura 2.15 a 2.37 1.09-1.10

Essa condição melhora consideravelmente com medidores de potência de ultima geração, onde a precisão do medidor de potência é especificado como uma porcentagem da leitura, ao invés de uma porcentagem da escala completa. Em grande parte, esta tem sido possível através da utilização de técnicas detecção de lei quadrática do diodo, de forma que que se comportam de forma linear com respeito à alimentação.

Faixa Dinâmica do Medidor de Potência

A faixa dinâmica de um medidor de potência direcional é definido como o intervalo de valores de potência durante o qual o instrumento é capaz de efetuar as medições, mantendo a precisão nominal total.

É importante notar que na maioria dos casos, os medidores de potência utilizados para aplicações de transmissão são configurados como dois instrumentos completos por canal, com canais separados para medição da onda direta e da onda refletida.

Muitas vezes, os intervalos de fundo de escala de potência para cada cada canal são adaptados a condições de medição específicas. Para o canal de medição da onda direta, a faixa de potência é selecionado com base em 110 a 120% da potência de saía do transmissor.

O valor de potência máxima do canal de potência refletida é normalmente baseada na potência refletida esperada de acordo com o VSWR esperado do sistema.

Há, no entanto, uma limitação desta abordagem com base na capacidade máxima de potência do circuito de medição de acoplador / detector direcional.

Por exemplo, se um medidor de potência é para ser selecionada para um transmissor de aplicação 20kW e o VSWR antena esperado é de 1,1, isto implica que a potência refletida esperada teria um valor de aproximadamente 46 Watts.

Por esta razão, faz sentido definir o fundo de escala em 100W para o canal canal de potência refletida de modo que o valor seja facilmente medido.

Entretanto em casos em que os limites de VSWR sejam ultrapassados, no caso de uma troca de antena, cabos, e mudanças na linha de transmissão, esses medidores poderiam ser danificados.   No caso de uma falha na linha de transmissão, esse valor máximo de 100W para a onda refletida poderia ser facilmente ultrapassado.

Diretividade do Medidor

No coração de cada medidor de potência há um acoplador direcional com a finalidade de fornecer uma amostra da tensão da linha de transmissão, com a capacidade de discernir entre a onda direta e a refletida.

O parâmetro diretividade para os acopladores é uma medida de quão bem o acoplador é capaz de discernir entre a potência que viaja para a carga, e a potência que está sendo refletida devido a incompatibilidade da impedância característica do sistema de transmissão com a impedância da carga.

As características direcionais destes acopladores são um resultado do fato de que o acoplador extrai duas amostras da potência na linha de transmissão. Uma amostra é derivado do campo elétrico no interior da linha, e o outro é derivado do campo magnético.

A natureza direcional do campo magnético fornece a direcionalidade, mas o equilíbrio elétrico entre o campo magnético e as amostras do campo elétrico serve como um indicador da diretividade acoplador.

Quão mais equilibradas estas amostras são, maior a diretividade intrínseca do acoplador.

Geralmente, acopladores direcionais que não estão equipados com redes de compensação de frequência têm maior diretividade.  Como as redes de compensação são sempre de natureza reativa, estas tenderão a alterar a resposta de fase do acoplador.

Estes acopladores terão,  naturalmente, uma faixa mais estreita de operação em frequência.

Como uma aproximação de primeira ordem, o valor diretividade de um acoplador pode ser usado para determinar o limite inferior da potência refletida que um medidor de potência especial direcional é capaz de resolver.

Isto baseia-se o fato de que, embora o acoplador direcional de medição da onda reflectida é orientado de tal modo que ele irá responder apenas à onda reflectida, ele também será afetado pela onda direta, de acordo com a sua diretividade.

Por exemplo, usando o nosso exemplo transmissor de 20 kW, se estamos usando um acoplador direcional para a onda refletida com diretividade 30dB (1000 x), isto significaria que o acoplador veria refletido 20W (1/1000) de potência adicional devido a imperfeições na diretividade.

 Erro de Diretividade por Aproximação de Primeira Ordem

VSWR 1.1

Diretividade de Acoplamento 30dB
Potência Direta 20 kW
Potência Refletida 45.3 W
Potência Refletida Máxima (+20W devido a imperfeições da diretividade) 65.3 W
Potência Refletida Mínima (-20W devido a imperfeições da diretividade) 25.3 W
VSWR Máximo 1.12
VSWR Mínimo 1.07

Enquanto a discussão acima irá servir bem como uma aproximação de primeira ordem, é importante compreender que as amostras de potência recolhida por um acoplador direcional aparecerá como a tensão  na derivação do acoplador, e, portanto, devem ser tratados como quantidades vetoriais.

Além disso, tanto magnitude e ângulo da impedância da carga são também importantes em uma análise completa dos efeitos de diretividade sobre as medições de potência direcionais.

Uma vez que o ângulo da impedância de carga raramente é conhecido, e qualquer linha de transmissão entre a carga e a localização do acoplador direcional irá transformar a impedância vista no acoplador, a abordagem mais fácil para entender completamente os efeitos da diretividade é calcular a mudança na potência refletida aparecendo na derivação do acoplador direcional (refletida) como ambas as contribuições:

  • devido a diretividade;
  • a tensão propriamente dita devido à potência refletida aparecendo na derivação do acoplador;

tratadas como fasores.  Veja a figura 2:

 

Efeitos da diretividade na medição do VSWR

 

Voltando ao nosso exemplo:

a) Cálculo da tensão devido à potência refletida a partir das seguintes fórmulas:

$$ Potência\;Refletida = (\frac{VSWR-1}{VSWR+1})^{2} $$

$$ Tensão\;Refletida = \sqrt{\frac{P_R}{R}} = V_R $$
b) Calcular a contribuição de tensão devido à diretividade - Primeiro, calcule a potência da  diretividade depois de converter o valor diretividade de para uma razão e depois aplique o resultado para o valor da potência direta. Com base directividade 30dB, e 20 kW de potência direta, a contribuição da diretividade seria:
$$ Razão\;da\;Potência\;da\;Diretividade=10 ^{\frac {Diretividade}{10}}$$
$$ Potência\;da\;Diretividade=\frac{Potência\;Direta}{Razão\;da\;Diretividade}=P_D$$

$$ Tensão\;da\;Diretividade = \sqrt{\frac{P_D}{R}} = V_D $$
c) Encontre os limites máximo e mínimos da potência refletida - Estes são encontrados, simplesmente adicionando e subtraindo as tensões obtidos em "a" e "b", e depois converter esses valores de volta para potência

$$ Potência\;Refletida\;Máxima = \frac{(V_D+V_R)^2}{50}$$

$$ Potência\;Refletida\;Máxima = \frac{(V_D-V_R)^2}{50}$$


Com base nos valores de potência reflectida acima, o VSWR medido no medidor de potência neste exemplo (1,1 VSWR) irá variar de um mínimo de 1,03 a um máximo de 1,17. Tenha em mente que isto representa a mudança na VSWR sobre qualquer condição de ângulo de fase de carga.

É extremamente raro que essas condições seriam observados na prática. (veja a Tabela 3 abaixo)

Variação do VSWR baseado no erro da diretividade (análise do fasor) - VSWR 1.1
Acoplamento da Diretividade 30 dB
Potência Direta 20 kW
Potência Refletida (esperada) 45.3 W
Potência Refletida Máxima 125 W
Potência Refletida Mínima 5.12 W
Max VSWR 1,17
Min VSWR 1,03


Finalmente, a diretividade de um acoplador direcional também serve como um indicador do grau de imunidade devido à posição na linha sob condições de onda estacionária elevada. Em outras palavras, quanto maior a diretividade o acoplador, o menos imune a posição na linha será o acoplador.

Tipo de Sinal

Medidores de potência de RF instalados na linha de transmissão são afetados pela natureza dos sinais de que eles medem. O tanto que o medidor de potência é afetado depende do tipo do medidor de potência, bem como as características de modulação dos sinais a serem medidos. Instrumentos convencionais de instalação na linha de transmissão desde 1950 usam detectores de diodo de contato, configurado como detectores de pico.  Estes instrumentos são normalmente conectados a medidores analógicos com escalas calibradas para ler potência média.

 

Watimetro bird de instalação em linha (Thru Line) que usa diodo como detector

Em condições em que a modulação não está presente (CW), ou o fator de crista dos sinais a serem medidos é baixa, esses instrumentos funcionam muito bem. À medida que o fator de crista do sinal é aumentada, estes instrumentos tendem a seguir o envelope da forma de onda de modulação, resultando em maior imprecisão.

A última geração de medidores de potência à diodo utilizam detetores operados na região da lei quadrática do diodo, onde a saída de tensão do diodo é proporcional ao quadrado da voltagem de entrada.

Estes detectores fornecem tensões proporcionais à potência real, enquanto o sinal aplicado ao detector esteja dentro do envelope da região lei diodo quadrado.

Localização do medidor de potência

A localização do medidor de potência direcional dentro do sistema de transmissão pode ter um efeito significativo sobre a capacidade do instrumento medir o VSWR.  A consideração principal relacionado com a localização do medidor de potência é a de que as perdas associadas com a linha de transmissão, bem como os valores de perda de inserção de quaisquer outros componentes do sistema terá o efeito de isolar (esconder) a potência medida (normalmente a refletida) a partir do ponto de medição.

A melhor maneira de ilustrar este ponto é com um exemplo: Estamos operando um transmissor de 10 kW, conectado a uma antena localizada numa torre a 219 m usando uma linha de transmissão com  com perda de 0.0067 dB/m. O VSWR, medido com um medidor de potência direcional localizado na saída do transmissor é de 1,08.

A questão é: qual é o VSWR na antena?

A perda total na linha será de

$$ 219 * 0.0067 = 1,46 dB$$

Uma vez que um VSWR  é composto de ambos os parametros direto e refletido, a perda num sentido deve ser dobrada para chegar ao isolamento.

Um VSWR 1,08 corresponde a uma perda de retorno de 28,3 dB. Quando o isolamento da alimentação da linha é subtraído deste valor, a nova perda de retorno, na antena é 25,3 dB, o que corresponde a um VSWR de 1,12.   Veja a tabela abaixo

ERRO DE MEDIÇÃO DE VSWR DEVIDO À PERDA NA LINHA
Medida de VSWR no transmissor 1.08
Perda no cabo 0.0067 dB/m
Perda total na linha 1.46 dB
VSWR na antena 1.12


Se o caminho entre o medidor de potência na linha e a antena inclui componentes como chaves, adaptadores, ou outros itens, as perdas de inserção desses componentes também terão o efeito de isolar ainda mais o medidor de potência da antena.

Conclusão

As tecnologias de medição de VSWR usando medidores instalados na linha de transmissão  são  importantes no dia-a-dia na avaliação dos sistemas de transmissão. As orientações acima irão ajudar a assegurar que medições de alta qualidade sejam obtidas, de acordo com esta abordagem.

Nota

Artigo traduzido e adaptado.  Ver referência [1].

Referências

[1]  VSWR Measurements Using In-Line Power Meters / Tim Holt - Bird Technologies Group - www.bird-technologies.com