Rapporto di onde stazionaria (VSWR) e perdita di ritorno

Trasferimento di potenza RF e adattamento di impedenza

Per ottenere il massimo trasferimento di potenza RF, l'impedenza della sorgente e del carico devono corrispondere. Nella maggior parte dei sistemi RF, l'impedenza standard è di 50 ohm, anche se in applicazioni come la televisione via cavo sono comuni anche i 75 ohm. Quando le impedenze corrispondono, ossia sono adattate, l'intera potenza RF viene trasferita dalla sorgente al carico con una riflessione minima.

Tuttavia, i dispositivi esistenti nella realtà presentano spesso impedenze complesse, che comprendono componenti resistive (reali) e reattive (immaginarie). Queste componenti possono variare con la frequenza, soprattutto in dispositivi come le antenne, la cui impedenza cambia in modo significativo nell'intervallo di funzionamento.

I disadattamenti di impedenza fanno sì che la potenza riflessa torni verso la sorgente. Ciò riduce l'efficienza del sistema e può danneggiare componenti come gli amplificatori. Le riflessioni possono anche compromettere la qualità del segnale, creare onde stazionarie e generare calore, con conseguenti problemi di prestazioni e una minore durata dei componenti. Nei sistemi ad alta frequenza, i disadattamenti possono alterare significativamente il comportamento dei circuiti e complicare le misure.

Perdita di ritorno e VSWR a confronto

La potenza riflessa viene quantificata rispetto alla potenza diretta utilizzando due parametri principali: la perdita di ritorno e il VSWR (ROS).

• Perdita di ritorno: la perdita di ritorno quantifica quanta potenza viene riflessa verso la sorgente a causa di disadattamenti di impedenza nella linea di trasmissione. Misura il rapporto tra la potenza incidente e la potenza riflessa, espresso in decibel (dB). Se la potenza incidente e la potenza riflessa sono espresse in unità di decibel "assoluti" (ad esempio, dBm), la perdita di ritorno in dB può essere calcolata come la differenza tra la potenza incidente (in unità di dBm assoluti) e la potenza riflessa (anch'essa in unità di dBm assoluti).
  Valori più elevati di perdita di ritorno indicano livelli più bassi di riflessione, il che è auspicabile per un trasferimento efficiente della potenza. Ad esempio, una potenza diretta di 50 dBm e una potenza riflessa di 10 dBm determinano una perdita di ritorno di 40 dB.

• VSWR: il VSWR rappresenta il rapporto tra la tensione massima e minima dell'onda stazionaria formata dall'interferenza delle onde dirette e riflesse. Una concordanza perfetta produce un VSWR pari a 1, che indica l'assenza di potenza riflessa. Valori di VSWR più elevati corrispondono a riflessioni maggiori. Ad esempio, un VSWR di 1,5 riflette solo il 4% della potenza diretta, mentre un VSWR di 6 ne riflette il 50%.

Soluzioni per un VSWR elevato e una bassa perdita di ritorno

Un VSWR elevato può comportare inefficienze e rischi significativi:

• Perdita di energia: l'aumento delle riflessioni riduce la potenza erogata al carico.
• Danni alle apparecchiature: una potenza riflessa eccessiva può danneggiare i componenti sensibili della sorgente RF.

Per attenuare questi problemi, si utilizzano due approcci comuni:

Reti di adattamento: queste reti regolano l'impedenza del carico utilizzando elementi capacitivi e induttivi, trasformandola in modo da adattarla all'impedenza della sorgente. Questa tecnica è particolarmente efficace nelle applicazioni con impedenze in funzione della frequenza, come le antenne.

Protezione foldback: riducendo la potenza diretta in condizioni di alta riflessione, i meccanismi di foldback proteggono la sorgente RF da eventuali danni. Questo è spesso implementato in sistemi ad alta potenza, come gli amplificatori a banda larga.