Relación de Ondas Estacionarias (ROE)

No siempre es sencillo resumir en pocas palabras la descripción completa, adecuada y abreviada de un instrumento de medición importante. Mucho menos, cuando de radiofrecuencias hablamos. Las razones para tener, siempre disponible, un equipo de asistencia para la correcta manufactura de antenas son muchas y quizás solo una pequeña parte podría incorporarse a este sumario. Lo importante que debes saber es que si tu transmisor de datos de control no posee una adecuada antena, tiene dos caminos que siempre son en un solo sentido. El primero conduce a un pobre y reducido alcance, en el enlace de datos y el segundo desemboca en una destrucción segura, con el tiempo, del equipo transmisor. Por eso, para que siempre tus antenas estén funcionando al 100%, hoy te traemos una nueva herramienta para tu arsenal de instrumentos: un Medidor de ROE para VHF y UHF. (SWR Meter). Una actividad habitual en el mundo del control electrónico, es la operación de equipos en forma remota, los que son controlados mediante variados sistemas de enlace que, por lo general, utilizan como vehículo de transporte a las ondas de radio. Muy lejos de lo que muchos suponen, la comunicación inalámbrica no se produce por el simple hecho de conectar un trozo de alambre a un transmisor o a un receptor.

Las señales emitidas por el transmisor deben ser irradiados al aire mediante antenas eficientes, las que tienen por objeto transformar las señales eléctricas en ondas electromagnéticas. Si este trabajo no se realiza de manera apropiada, la energía que no puede entregarse al aire, retorna hacia el transmisor con el riesgo potencial de destruirlo. La mayoría de los usuarios de los módulos de radio en sistemas embebidos, desconoce por completo la importancia que tiene una correcta instalación de antena en un transmisor, para lograr un buen alcance. Lo mismo en un receptor, para que éste sea capaz de recibir señales desde distancias muy difíciles de lograr. Una buena antena, el último eslabón de una cadena que no podemos dejar suelta.

Un sistema enlazado de radio debe cumplir determinados requisitos que si no cumplimos de manera ordenada y adecuada no alcanza, en muchos casos, para superar distancias de medio metro. Por lo tanto, debemos comprender con qué estamos trabajando para saber qué debemos hacer. Existe un antiguo refrán que dice que si no sabes lo que necesitas, cuando lo tengas delante de ti, no sabrás que lo habrás encontrado y el enlace entre dos equipos de radio habla de eso. 

Tú sabes lo que es una antena o un cable coaxial, pero cuando los tienes delante, quizás no sepas como asociarlos para lograr la construcción de un sistema de antenas de transmisión o de recepción que funcionen en forma correcta. En ambos casos, las antenas serán iguales. Pueden ser idénticas para ambos trabajos (Tx y Rx) y el elemento activo de ambas se llamará “irradiante”. Este irradiante (o elemento activo), puede estar acompañado de elementos pasivos, o de varios elementos activos “sumados”, para lograr un mejor desempeño y una ganancia en decibeles, pero siempre se llamará  irradiante. Si este elemento no está construido en forma adecuada, o por diversos motivos no funciona correctamente, la energía no podrá “irradiarse” en su totalidad. Parte de la energía que intentamos emitir, no podrá ser enviada al aire y retornará hacia el equipo.

El mismo fenómeno que sucede con un irradiante no apropiado, que no puede resonar adecuadamente a la frecuencia de transmisión, también puede ocurrir con una línea de transmisión incorrecta o en mal estado. Por ejemplo, un problema habitual que sucede dentro de un cable es la condensación de humedad. Es decir, cuando la humedad se transforma en agua dentro del cable coaxial.

Así como tiene una cubierta protectora plástica (o de goma en algunos casos) para preservar los conductores internos e impedir que el agua ingrese al cable, también impide que el agua pueda salir del cable. A este fenómeno lo encontraremos muchas veces en forma de sales en los conectores. Esta humedad, que degrada en forma química al metal interno que forma el cable, provoca un deterioro que perjudica el buen desempeño de éste. ¿Cómo saber que el cable está bueno? ¿Cómo saber que la antena está construida en forma correcta? ¿Cómo sabemos que está resonando a la frecuencia de trabajo y el 100% de la energía se transmite o, en el caso inverso, se recibe y no se “rebota”, sino que pasa toda por la línea de transmisión (así también se llama en un receptor al cable coaxial) hasta los circuitos amplificadores de señal de entrada en el receptor? Esta humedad, que degrada en forma química al metal interno que forma el cable, provoca un deterioro que perjudica el buen desempeño de éste. ¿Cómo saber que el cable está bueno? ¿Cómo saber que la antena está construida en forma correcta? ¿Cómo sabemos que está resonando a la frecuencia de trabajo y el 100% de la energía se transmite o, en el caso inverso, se recibe y no se “rebota”, sino que pasa toda por la línea de transmisión (así también se llama en un receptor al cable coaxial) hasta los circuitos amplificadores de señal de entrada en el receptor? 

Cuando tenemos energía que no podemos irradiar y la misma “se refleja” (vuelve, regresa) hacia el transmisor, se evidencia físicamente en forma de temperatura elevada (en la mayoría de los casos destructiva) y eléctricamente se manifiesta con una menor entrega de potencia al aire. Por ejemplo, un transmisor de 10Watts (o Vatios) puede irradiar sólo 6W por culpa de una antena en malas condiciones (o una línea de transmisión en mal estado) ¿Y los 4W restantes? ¿Dónde van? ¿Al cielo? Recuerda siempre esta premisa fundamental: toda la energía que no se puede irradiar, vuelve hacia el equipo transmisor y te arriesgas siempre a su destrucción. Por ejemplo, muchos juegan a “inventar” antenas más eficientes para Wi-Fi y Bluetooth, sin embargo, desconocen por completo el riesgo al que exponen estos dispositivos que, previendo ese ataque de “yo soy más inteligente que el japonés que inventó esto” poseen, en la gran mayoría de los casos, protecciones contra inteligentes y el único resultado será un funcionamiento pobre por des-adaptación. De todos modos ten cuidado, no siempre estas protecciones están presentes.

Entonces tenemos siempre, en todo sistema de antena, un porcentaje de energía que se puede irradiar y otro que no se podrá entregar al aire. Encontrarás, por lo general, dos nombres dedicados a esta energía o potencia entregada: Directa o Incidente mientras que para la potencia que es devuelta hacia el equipo siempre se llamará Reflejada. Por supuesto, en terminología inglesa se resume en Fordward y Reverse.

 
Algunos instrumentos muestran en simultáneo, con instrumentos de dos agujas, la potencia de transmisión (en Watts, o Vatios) y la Relación de Ondas Estacionarias del sistema de antena que, como vimos en la gráfica, comprende todo lo que esté incluido desde la salida del transmisor hasta el elemento activo o irradiante. Otros, como el nuestro, sólo ofrecen información de la desadaptación del sistema de antena respecto al equipo, que en última instancia es el dato que deseamos saber para prevenir cualquier desperfecto o mal funcionamiento. Además, una antena ajustada en forma correcta en transmisión, resonará sin inconvenientes para brindarnos una recepción óptima en la frecuencia deseada.

Para construir un instrumento de esta naturaleza, existen múltiples técnicas que no vamos a enumerar ni a describir ahora, sino que vamos a desarrollar un montaje que encontramos en la web como una simple imagen, sin mayores datos adicionales. A partir de allí, logramos construir el instrumento que funciona de manera muy simple: Por la vía central del PCB circula la energía emitida por el transmisor y a sus lados (a una distancia apropiada, sumado a una longitud apropiada), se encuentran dos vías que se encargarán de conducir energía en sentidos opuestos. Observando las imágenes y la polarización de los diodos de detección, comprenderás que en un sentido tendremos la detección de la energía que circula en un sentido (equipo – antena) y con el otro circuito adyacente a la vía principal obtendremos el resultado de la señal que retorna hacia nuestro transmisor. Cuanto más elevada sea esta indicación, mayor cantidad de Ondas Estacionarias (que no se han irradiado) tendrá nuestro sistema de antena. Te reiteramos el concepto: comprende al sistema de antena como la sumatoria de todos los elementos que componen tu instalación a partir del conector de antena de tu transmisor hasta el irradiante.

Sin alterar las medidas que presenta el diagrama original, podrás construir, al igual que hicimos nosotros, un instrumento capaz de trabajar tanto en VHF como en UHF. Este beneficio es muy valioso en estos días en que, la utilización de las bandas de 315Mhz y de 433,92Mhz, son muy utilizadas para comunicar equipos basados en microcontroladores. El PCB, tal como expresa la imagen, debe ser construido en material FR4 (fibra epoxi) de doble faz, es decir, que en ambas caras debe tener cobre. Una de las caras mantendrá el cobre en su totalidad y para lograr esto deberás cubrirlo antes de colocar la placa en el ácido para construir este PCB. Luego, conectarás las vías indicadas con la cara que quedó sin retirar el cobre en los puntos indicados con una T invertida en el gráfico. No en cualquier lado o en todos los lados que tú quieras. Sólo en los lugares indicados en el gráfico.
 

Por último, sujetas el PCB construido con las soldaduras en el conductor central y en la periferia de la placa con pequeños terminales formados como soportes para una buena soldadura. Las imágenes son muy ilustrativas en lo que al montaje respecta. Intenta replicar el mismo de la manera más fiel que te sea posible para obtener buenos resultados, de lo contrario, una construcción de baja calidad no ofrecerá mediciones confiables. Además, no dejes de respetar las medidas indicadas para el PCB de 78 X 44 milímetros. Nosotros decidimos quitar todas las leyendas del gráfico original, sin embargo, te dejamos la imagen tal como la encontramos en la web. Si la observas demasiado grande, utiliza cualquier programa gráfico y llévala a las medidas indicadas. No poseemos un PDF para brindarte. Sólo la misma imagen que nosotros encontramos de PA0NHC.

La resistencia que inicia cada vía de detección debe ser de 50 Ohms y se puede formar con dos resistencias de 100 Ohms en paralelo o con tres de 150 Ohms en paralelo. En nuestro caso, con dos de 100 Ohms resolvimos la construcción. Utilizamos el mismo diodo que indica la imagen: un BAT85 y colocamos entre los capacitores (o condensadores) a GND una VK200, pero esto no es excluyente. Es decir, allí puedes colocar cualquier inductancia para RF de 10uH, no es obligatorio el uso de una VK200. Queremos aclarar este punto de manera enfática porque muchos, no sólo no conocen la VK200 sino que además, les resulta complicado obtenerla, comprarla o quitarla de algún viejo equipo “canibalizado”. Por último los capacitores son cerámicos comunes y todo el conjunto se conecta a los comandos y el indicador del panel frontal. Es importante que coloques “cuentas de ferrite” en el cable de conexión del instrumento (cable rojo) para liberar esta conexión de residuos de RF que puedan mostrar indicaciones donde no las hay (cuando la Relación de Ondas Estacionarias es 1:1). El resto es lo siempre: conexiones cortas, prolijas, cuidadosas y un montaje robusto para todo el instrumento.
 

La operación es muy sencilla e intuitiva. Con este instrumento puedes hacer realizar el control de muchas cosas en forma individual, antes de hacer una medición general o total. Por ejemplo, es una sana costumbre medir la correcta adaptación de impedancias entre la salida del transmisor y la línea de transmisión (el cable coaxial). El método será utilizar un pequeño trozo de cable coaxial para enlazar el transmisor con el Medidor de ROE y a este instrumento conectarle la línea de transmisión con una “carga fantasma” (Dummy Load) en el extremo. ¿Qué es una carga fantasma? Un sistema resistivo puro que se coloca para emular (durante la medición) a la antena. El sistema entenderá que allí hay una antena perfecta, que tiene una componente resistiva pura (no reactiva) y que tendrá la impedancia correcta, que en comunicaciones está estandarizada en 50 Ohms.
 

La “carga fantasma” además de utilizarse en la construcción y calibración de transmisores, también se usa para controlar un efectivo funcionamiento de la línea de transmisión incluyendo los conectores colocados en sus extremos. Una carga fantasma se construye fácilmente con resistencias de carbón depositado (no de alambre bobinado) y se puede armar con una combinación múltiple, por ejemplo, con 20 resistencias de 1K – 1W (todas en paralelo) obtendrás una carga fantasma de 50 Ohms – 20 Watts (o Vatios). Como mencionamos antes, el agua condensada o los rayos pueden ser letales para un cable coaxial y la degradación de esta línea de transmisión provocará una alteración en su impedancia característica que inducirá una desadaptación al sistema. Si no tienes este cuidado, antes de controlar un sistema de antenas, creerás que es tu irradiante el que quedó mal ajustado, o que se daño al elevarlo en la torre, o que la cercanía de la torre y otras antenas le afectan, cuando la realidad es que tu antena está correcta y lo que introduce la desadaptación es la línea de transmisión. 
 

En el caso de UHF, las cargas fantasmas son más complejas de construir y ensamblar. Además, las resistencias tradicionales no son tan confiables como en la región de VHF. Aquí, la opción más sencilla es con una pequeña varilla de un cuarto de onda (16,5 – 17 centímetros). Luego de estos ensayos, la antena y su diseño te llevarán por el camino del ajuste apropiado. Hasta este punto, te habrás asegurado que la adaptación de impedancias es correcta entre tu transmisor y la línea de transmisión en su conjunto (incluidos los conectores) y que todo el sistema estará óptimo para colocar la antena, ajustada en tierra, en un lugar tan despejado como sea posible. Es decir, no puedes ajustar una antena, por pequeña que sea, dentro de tu habitación. Siempre busca lugares abiertos y despejados. Las técnicas de ajuste de antenas, como es lógico, varían de un modelo a otro y la práctica te ayudará a encontrar las maneras más adecuadas de realizar los ajustes. Tu objetivo será siempre alcanzar una adaptación de impedancias óptima en todo el conjunto Transmisor – Línea de Transmisión – Antena. Debes tener en cuenta que esta misma antena puede ser utilizada en recepción, por lo tanto, si sólo deseas una antena para un receptor, deberás ajustarla (o calibrarla) del modo descripto.
 

Recuerda que siempre trabajarás con cables coaxiales de 50 Ohms (las instalaciones de TV utilizan 75 Ohms, tendrías una ROE tremenda) y el uso del Medidor de ROE es tan sencillo como se observa en los videos. Con la llave hacia un lado, se ajusta a máxima indicación y hacia el otro lado, leemos la “des-adaptación” provocada por la diferencia de impedancias que terminan generando ondas estacionarias, señal que no puede ser irradiada y transmisores que pueden ser utilizados como calefactores en invierno. Si deseas llegar lejos con tu transmisión, tu antena debe estar bien ajustada y para ello, nada mejor que un buen Medidor de ROE.