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Analisando o VSWR de dispositivos RF por meio de uma ponte VSWR, um gerador de RF e um analisador de espectro

  • Publicado em RF

Uma ponte VSWR é um dispositivo, usualmente passivo, que possibilita a mensuração do VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) por meio de um analisador de espectro com tracking generator ou ainda com um gerador de RF externo. Em síntese, o VSWR representa representa a parte do sinal que foi emitido pelo gerador e, posteriormente, refletido de volta ao próprio gerador, sendo um dos fatores que podem dar causa à redução da eficiência de uma antena. Face à diretividade da ponte VSWR, ao contrário do sinal ser simplesmente refletido de volta para o gerador (porta RF Input), ele é refletido para uma porta de saída específica (SWR Output) e a carga conectada em outra porta (usualmente denominada DUT, Device Under Test).

Considerações preliminares do VSWR

A análise do VSWR é importante pois é nada menos que a medida de eficiência de transferência de energia da fonte à carga no sistema.  O VSWR é uma grandeza derivada do módulo do coeficiente de reflexão , que consiste na simples razão entre a tensão refletida e a incidente da onda senoidal estacionária. Considerando a aplicação de um sinal senoidal como entrada em um sistema de RF sem o devido casamento de impedâncias entre gerador e a carga, necessariamente, a onda refletida também será um sinal senoidal em direção ao gerador. Quando as duas ondas de tensão (incidente e refletida) são somadas, a tensão máxima do onda estacionária resultante não tem mais a tensão máxima fixa, mas variará senoidalmente com uma tensão máxima e outra mínima. 

Sem reflexão (condição ideal e desejável) ocorre quando a onda transmitida é igual a incidente e a componente tensão refletida é zero, resultando em um o coeficiente de reflexão também nulo e um VSWR unitário. Caso não ocorra nenhuma transmissão à carga e o sinal seja 100% refletido ao gerador positivo ou negativamente (casos clássicos de linha aberta ou curto-circuito), o coeficiente de reflexão resulta em +1 ou -1, respectivamente e o VSWR infinito

Caso deseje visualizar a reflexão de pulsos em um osciloscópio, consulte nosso respectivo artigo, clicando aqui.

Ainda, é preciso relembrar que o VSWR também é influenciado pela frequência de operação devido à variação da resposta em frequência dos dispositivos RF utilizados (cabos, conectores, carga, etc.), motivo pelo qual analisaremos o VSWR por meio de um analisador de espectro e um gerador RF em sweep (variação de frequência) e não apenas uma única frequência e um Power Meter. A aplicação seria mais fácil com um analisador de espectro com tracking generator, que consiste em um gerador acoplado analisador de espectro, fazendo automaticamente a normalização da ponte VSWR.

VSWR de uma terminação resistiva de 50 ohms

Inicialmente, analisamos o VSWR de uma terminação resistiva de 50 ohm com uma ponte VSWR com perda de inserção de 6,5dB, diretividade superior a 35dB e frequência de operação nominal de até 3 GHz. O sinal de entrada é obtido por meio de um gerador de RF em sweep com amplitude de 0dBm:

50

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Alterando-se a escala do eixo magnitude Y, visualizamos que o sinal detectado pelo analisador de espectro deveria ser inferior ao mensurado se considerarmos a especificação de diretividade e perda de inserção da ponte VSWR. Todavia, obviamente, até mesmo nossa carga de 50 ohm apresenta um VSWR não unitário, o que impossibilita o casamento de impedância entre a carga e o gerador, além das reflexões em conectores e cabos utilizados (lembre-se: um VSWR unitário é meramente teórico), o que justifica o gráfico encontrado:

50 0000

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VSWR de antenas

Após a análise do VSWR em uma terminação resistiva de 50 ohms, passamos a análise do VSWR em antenas, o que é interessante pois nos possibilita estimar o comportamento da radiação RF emitida ao longo da frequência (todavia, ressaltamos que outras variáveis também estão correlacionadas à eficiência da radição!). No gráfico abaixo, conectamos uma antena de comprimento fixo de 24cm, conector RP-SMA, "GSM omnidirecional" com banda nominal de 824-900MHz, VSWR inferior a 1,5 (RL de -13,97 dB), ganho de 3,5dB e banda de 64MHz e constatamos que o sinal RF incidente é melhor irradiado na frequência de 954,3MHz face ao ponto de reflexão mínimo nessa frequência (percentual máximo da potência incidente é irradiado pela antena).

Ainda, verificamos que a diferença entre o ponto de irradiação máximo e o mínimo é de cerca de 23,49dB (cerca de 220 vezes mais potência), que demonstra a o cuidado entre a sincronização da frequência da portadora e a frequência de ressonância de uma antena:

900.1

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Ainda, é importante destacarmos que, com algumas exceções, a banda nominal de uma antena se refere a banda de frequência na qual a antena garante um VSWR inferior ao nominal (portanto, o mais correto seria especificar as características em conjunto: "uma banda de 64 MHz com VSWR inferior a 1,5"). Ou seja, não podemos analisar a banda da antena considerando apenas o pico de radiação e a distância das frequências correspondentes a esse valor acrescido de 3dB no gráfico abaixo, mas sim cerca de 13,97dB que representa a conversão do VSWR (valor proporcional) na grandeza Perda de Retorno em dB por meio da equação .

900.4

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Obviamente, não estamos analisando antenas em uma câmara anecoica de RF, o que resultará na captura de ruídos e não apenas o sinal gerado pelo gerador de RF.

Análise de antenas WiFi (2,4GHz) de ganhos e comprimentos diferentes entre 10MHz a 1GHz

A seguir, comparamos o VSWR de antenas de WiFi 2,4GHz de comprimentos e ganhos diferentes na região entre 10MHz e 1GHz, sendo o traço amarelo referente à antena de 5dBi com o maior comprimento e espessura (19,5cm), o azul ciano de 3dBi com comprimento e espessura intermediários (15,7cm) e a 2dBi com menor tamanho e espessura em rosa (13,8cm). 

Screen 0013

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No gráfico abaixo, podemos constatar que as antenas de Wifi possuem frequências de resonâncias espúrias em 350,56MHz, 358,48MHz e 367,39MHz, da maior para a menor, assim como a antena de 5dBi possui maior capacidade de irradiação nessa faixa de frequência em análise em relação as demais (-26,36dBm versus -22,61dBm e -21,21 dBm):

Screen 0014

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Screen 0015

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Screen 0016

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Por fim, analisamos outra antena de WiFi com ganho de 9dBi e comprimento aproximado de 38,5cm para fins de referência e encontramos uma banda de resonância em 1,468GHz e capacidade de irradiação ainda superior:

1.4.1

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1 Comentário

  • Sandro Lima
    Sandro Lima Segunda, 22 Janeiro 2018 22:50 Link do comentário

    Ótimo Artigo Pedro ,você é super profissional.

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