camara anecoica

IEL2-04-I-27
DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE UNA CÁMARA
ANECOICA
YENNY CONSTANZA PINTO BALLESTEROS
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
AGOSTO 2004
IEL2-04-I-27
DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE UNA CÁMARA
ANEOCICA
YENNY CONSTANZA PINTO BALLESTEROS
Trabajo de Grado para optar al título de
Ingeniero Electrónico
Asesor
Ph.D NÉSTOR M PEÑA T
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
PREGRADO INGENIERÍA ELECTRICA
BOGOTÁ
AGOSTO 2004
IEL2-04-I-27
A mis padres Luís y Otilia,
A mi hermano Ricardo,
A la tía Ana M,
Y por supuesto a toda mi familia.
IEL2-04-I-27
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo se realizó gracias a la colaboración constante e incondicional del profesor
Néstor Peña, así como por la motivación del profesor Juan Carlos Bohórquez.
Gracias al grupo de comunicaciones 2004-1, por compartir está gran experiencia en la
realización de nuestra tesis.
Agradecimientos muy especiales al Señor Duane Cox, Project manager, TDK RF Solutions,
por la información suministrada, así como al Doctor Prasad N. Shastry de la Universidad
de Bradley.
Gracias a Ricardo Suescun por su desinteresada ayuda.
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i
TABLA DE CONTENIDO
pág
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………..1
1. CÁMARA ANECOICA………………………………………………………………….2
1.1 TIPOS DE CÁMARAS ANECOICAS………………………………………………….3
1.1.1 Cámara anecoica rectangular………………………………………………………….3
1.1.2 Cámara anecoica convergente…………………………………………………………4
1.1.3 Cámara anecoica de doble cuerno……………………………………………………..5
1.1.4 Cámara para ondas milimétricas...…………………………………………………….6
1.1.4 Cámara CEM…………..……………………………..……………………………….6
1.2. MATERIALES ABSORBENTES PARA CÁMARAS ANECOICAS………………...7
1.2.1 Absorbente piramidal………………………………………………………………….8
1.2.2 Cuñas absorbentes…………………………………………………………………...12
1.2.3 Absorbente enroscado………………………………………………………………..12
1.2.4 Ferritas………………………………………………………………………………..13
1.2.5 Absorbente híbrido…………………………………………………………………...14
1.2.6 Absorbentes para el piso……………………………………………………………..14
1.3 BLINDAJE DE LA CÁMARA ANECOICA ……………………………...…………15
1.3.1 Teoría del blindaje……………………………………………………………………15
1.3.2 Tipos de blindaje…………………………………………………………………….19
1.4 COMPONENTES ADICIONALES…………………………………………………...20
1.4.1 Puerta de Acceso……………………………………………………………………..21
1.4.2 Paneles de Ventilación……………………………………………………………….21
1.4.3 Filtros………………………………………………………………………………...23
1.4.4 Acometidas…………………………………………………………………………..23
1.4.5 Iluminación…………………………………………………………………………..24
1.4.6 Sistema de protección contra incendios……………………………………………...25
1.4.7 Antenas y Soportes…………………………………………………………………...25
1.5 MEDICIONES…………………………………………………………………………27
2. DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN……… ………………………………………………..29
2.1 DEFINICIÓN DE LA APLICACIÓN…………………………………………………29
2.2 ESPECIFICACIÓN DEL RANGO DE FRECUENCIAS DE OPERACIÓN…………30
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ii
2.3 ESPECIFICAIÓN DE LOS MATERIALES…………………………………………..30
2.3.1 Determinación del Blindaje…………………………………………………………..30
2.3.2 Especificación del material absorbente………………………………………………32
2.4 GEOMETRÍA DEL MATERIAL ABSORBENTE EN LAS SUPERFICIES………...36
2.5 DETERMINACIÓN DE ACCESORIOS……………………………………………...38
2.5.1 Puerta…………………………………………………………………………………38
2.5.2 Acometidas…………………………………………………………………………...38
2.5.3 Paneles de Ventilación……………………………………………………………….38
2.5.4 Filtros………………………………………………………………………………...39
2.5.5 Iluminación…………………………………………………………………………...40
2.5.6 Sistema de protección contra incendios……………………………………………...40
2.5.7 Antenas y Soportes …...……………………………………………………………...40
2.5.8 Especificación equipos de medición…….…………………………………………...40
3. PRESUPUESTO………………………………………………………………………...43
4. CONCLUSIONES………………………………………………………………………46
5. BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………...47
ANEXO A………………………………………………………………………………….49
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iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1-1. Cámara anecoica rectangular construida en Bradley University [4]……………3
Figura 1-2. Geometría de una cámara convergente………………………………………….5
Figura 1-3. Geometría generalizada de la cámara de doble cuerno [3]……………………...5
Figura 1-4. Cámara CEM de 3m de rango de medición [5]…………………………………7
Figura 1-5 Diferentes muestras de absorbentes piramidales[7], [8]………………………....9
Figura 1-6 Reflectividad del absorbente piramidal a incidencia normal[1]………………..10
Figura 1-7 Reflectividad del absorbente piramidal a incidencia angular[1]……………….10
Figura 1-8 Reflectividad del absorbente piramidal con diferente carga de carbón [1]…….10
Figura 1-9 Cuñas absorbentes ofrecidas por el fabricante Aemi[8]………………………..12
Figura 1-10 Materiales en forma de rollos, fabricante Aemi [8]…………………………..12
Figura 0-1. Diferentes muestras de ferritas[6],[7]……………………………………..….13
Figura 0-2. Material híbrido[7],[8]………………………………………………………..14
Figura 0-3. Muestra de absorbente que se utiliza para el piso, fabricante Aemi[18]……..14
Figura 0-4. Iteración de una onda plana con una barrera metálica……………………….15
Figura 0-5. . Efectividad del cobre a diferentes espesores [9]…………………………...19
Figura 0-6. Muestra de blindaje prefabricado [13]……………………………………….20
Figura 0-7. Puerta de acceso, simple de bisagra, ofrecida por Frankonia[13]…................21
Figura 0-8. Paneles de Ventilación ofrecidos por Chomerics [15]……………………….22
Figura 0-9 Paneles para el ingreso de cables al recinto [16]……………………………...24
Figura 0-10. Lámpara de halógeno MR1100 [18] …………………………………………24
Figura 0-11. HLP-3003C Irbid Log Periodic[20] …………………………………………26
Figura 0-12. LPDA-8003 Log Periodic Dipole [21]……………………………………….26
Figura 0-13. Antena HRN-0118 para CEM, empresa TDK[22]…………………………..26
Figura 0-14. Antena DRH-118 para CEM, empresa Sunol Sciences[23]…………………26
Figura 0-15. Equipos de medición en la cámara anecoica………………………………....27
Figura 0-16. Plano de una de las paredes para el
blindaje…………………………………..31
Figura 0-17. Diseño de blindaje
propuesto………………………………………………….31
Figura 0-18. Blindaje USC-44 ofrecido por Shielding
Corp…………………………..……32
Figura 0-19. Geometría del material escogido
[7]…………………………………………..33
Figura 0-20. Material IP-045C
[28]…………………………………………………………34
Figura 0-21 Material IP-045C
[29]……………………………………………………….....35
IEL2-04-I-27
iv
Figura 0-7. Muestra la ubicación y forma de la zona Fresnel (diamante), y la ubicación de la
zona de quietud (círculo)…………………………………………………………………...37
Figura 0-8. Ubicación del material en las paredes lateral izquierda, frontal y final, y el piso
de la cámara anecoica, medidas en mm….…………………………………………...……37
Figura
0-22.
Pared
final
con
la
puerta
incluida,
medidas
en
mm……………………………………………………..…………………………………...38
Figura 0-10. Vista da paneles de Ventilación en una de las paredes laterales, medidas en
mm……………………………………………………………………………………….....39
Figura 0-11. Ubicación del filtro ZJSR EMC, ofrecido por la empresa TDK [28]………..40
Figura 0-12. Analizador de espectros………………………………………………...…….40
Figura 0-13 Analizador de redes……………………………………………………….…..41
Figura 0-14. Generador de Señales……………………………………………………...…41
Figura 0-15. Medidor de potencia………………………………………………………….41
Figura 0-23. Sensor para medidor de potencia…………………………………….……….41
Figura 0-24. Vista de la cámara anecoica y cuarto de mediciones adjunto, dimensiones en
mm………………………………………………………………………………...………..42
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v
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. REFLECTIVIDAD DE ABSORBENTES PIRAMIDALES A INCIDENCIA
NORMAL (FABRICANTE AEMI) [7]……………………………………………………..9
Tabla 1. ATENUACIÓN TÍPICA DEL MATERIAL USC-44……………………………32
Tabla 2. NIVELES DE REFLECTIVIDAD DE LOS MATERIALES ESCOGIDOS, A
INCIDENCIA NORMAL [7]………………………………………………………………33
Tabla 3. ESTIMACIÓN DEL PRESUPUESTO PARA EL MATERIAL ABSORBENTE.
……………………………………………………………………………………………...43
Tabla 4. ESTIMACIÓN COSTO DE EQUIPOS DE MEDICIÓN………………………..44
Tabla 5. ESTIMACIÓN PRESUPUESTO TOTAL……………………………………….45
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vi
LISTA DE ECUACIONES
Ecuación 0-1. Condición de campo lejano…………………………………………………. 4
Ecuación 0-2. Determinación del ancho…………………………………………………… 4
Ecuación 0-3. Coeficiente de reflexión…………………………………………………….. 8
Ecuación 0-4. Reflectividad………………………………………………………………... 8
Ecuación 0-5. Pérdidas de reflexión debidas al campo eléctrico [9]………………………16
Ecuación 0-6. Pérdidas de reflexión debidas al campo magnético [9]……………………..17
Ecuación 0-7. Pérdidas de reflexión debidas a la incidencia de ondas planas [9]…………17
Ecuación 0-8. Pérdidas por absorción[9]…………………………………………………..17
Ecuación 0-9. Efectividad del blindaje…………………………………………………….18
Ecuación 0-10. Efectividad del blindaje en estructuras con aperturas [9]…………………22
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1
INTRODUCCIÓN
Realizar el diseño de un laboratorio donde se pueda medir la compatibilidad
electromagnética es de gran importancia en la actualidad; este diseño promueve la apertura
de espacios que soporten el desarrollo de investigaciones en el área de comunicaciones y en
CEM.
El diseño de la cámara anecoica se realizó a partir de la experiencia que diferentes
instituciones han adquirido durante el desarrollo de estas, para esto se siguieron diferentes
etapas. En una primera etapa se realizó una investigación para adquirir la fundamentación
teórica necesaria para entender las características de una cámara anecoica, específicamente
se utilizaron la referencias [1], [2], [5], [6], [9] y [11]. En la segunda etapa se recopiló
información acerca de cámaras anecoicas ya diseñadas, dentro de las cuales es importante
destacar la cámara diseñada en la Universidad de Bradley [4]. Una tercera etapa consistió
en la búsqueda de fabricantes especializados en cámaras anecoicas,
destacan para la realización del proyecto: Frankonia, Orbit-FR,
de los cuales se
MTT, TDK, AEMI,
Chomerics, USD y DAMS entre otros. Finalmente se contactaron algunos fabricantes TDK,
USD y DAMS para estimar el presupuesto total de la cámara.
Este documento, en la primera parte da un marco referencial de lo que es una cámara
anecoica, los materiales y accesorios que se especifican en su diseño con sus respectivas
características, en la segunda parte se definen los pasos que se siguieron y la especificación
del diseño; finalmente se estima un presupuesto para la construcción de esta.
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2
1. CÁMARA ANECOICA
Una cámara anecoica es un recinto cerrado, diseñado con características especiales que
permiten realizar experimentaciones con ondas electromagnéticas como lo son, mediciones
de compatibilidad electromagnética, caracterización de antenas y radares entre otras.
Una de las características de la cámara anecoica es la referida a que en las superficies
interiores no se deben presentar reflexiones; la otra característica especial esta relacionada
con las interferencias causadas por el medio exterior por cuanto deben ser mínimas, es
decir este recinto debe estar aislado en su interior y en su exterior. Es fundamental anotar
que para garantizar las características anteriores se debe tener en cuenta lo siguiente:
•
Las interferencias del medio exterior se pueden evitar a través de la realización de
un blindaje del recinto, para lo cual se utilizan materiales reflectores, como lo son
los metales.
•
Las reflexiones en el interior de la cámara se anulan a partir de la utilización de
materiales absorbentes, que impiden que las ondas se reflejen.
El diseño de las cámaras anecoicas, empezó a desarrollarse empíricamente en los años 50,
en los años 60 surgieron conceptos prácticos a nivel comercial en el desarrollo de
materiales absorbentes y se incorporaron técnicas para dar geometría a la cámara anecoica
[1].
Actualmente se cuenta con una amplia variedad de cámaras anecoicas. Comercialmente se
encuentran clasificadas en diferentes tipos, dependiendo de se aplicación. En la siguiente
sección se dará una ligera visión de las más comunes.
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1.1
3
TIPOS DE CÁMARAS ANECOICAS
1.1.1 Cámara rectangular. Las mayoría de las cámaras anecoicas son rectangulares,
debido a la simplicidad que requiere su construcción y a la facilidad que se presenta en el
recubrimiento de las superficie con material absorbente [2]. Las dimensiones de la cámara
rectangular se obtienen como función de alguno de los siguientes parámetros: longitud de
transmisión, rango de frecuencias de operación o tipo de medición a realizar [3]. En estas se
pueden realizar mediciones de antenas, RCS (Sección transversal del radar), y CEM
(Compatibilidad Electromagnética).
Figura 1-1-1. Cámara anecoica rectangular construida en Bradley University[4].
Cuando la cámara se utiliza para realizar calibración de antenas las dimensiones de estas se
calculan siguiendo la condición de campo lejano [1], [3], [4], ecuación 1-1, donde se tiene
que R es la longitud del rango de medición, D corresponde a la apertura de la antena a
medir y λ la longitud de onda correspondiente a la frecuencia más alta.
R>
2D 2
λ
Ecuación 1-1. Condición de campo lejano.
Una vez se tiene la frecuencia más alta y la longitud del rango de medición se determina el
ancho (W) de esta como se plantea en la ecuación 1-2. [1].
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4
W>
R
2
Ecuación 1-2. Determinación del ancho.
La altura de la cámara se determina ligeramente igual al ancho [3]. El diámetro de la zona
de quietud es determinado alrededor de W/3 según la referencia [1], en la referencia [3] se
plantea que el máximo diámetro de esta zona debe ser menor o igual a la apertura de la
antena.
Lo longitud de estas cámaras se determina considerando la longitud de transmisión, el
diámetro de la zona de quietud, el espacio que ocupa el material además debe tenerse
presente que entre el borde de la zona de quietud y el material absorbente debe existir un
espacio de 3ft (0.9m) [3].
1.1.2 Cámara convergente.
Las cámaras convergentes se empezaron a fabricar a
principios de los años 60, cuando fue evidente que las cámaras rectangulares no eran
convenientes para trabajar en las bandas UHF-VHF, el diseño de las cámaras convergentes
se ha realizado empíricamente, las medición más común que se realiza en estas cámaras es
la caracterización de antenas a bajas frecuencias, algunas se utilizan para probar satélites a
bajas frecuencias y otras para mediciones de RCS [1].
Estas cámaras se rigen por la condición de campo lejano [3] (ecuación 1-1), por lo que las
longitudes para estas cámaras son grandes, se han conocido longitudes del orden de 55m;
aunque la construcción de estas cámaras es costosa, es más económica que en las cámaras
rectangulares ya que para lograr efectividad a bajas frecuencias las cámaras rectangulares
requieren materiales más costosos respecto al espesor [1].
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5
Figura 1-2. Geometría de una cámara convergente.
La característica principal de este tipo de cámaras es disminuir las reflexiones que se
presentan en las paredes laterales, razón por la cual se diseñan con geometrías diferentes a
la rectangular. En la Figura 1-2 se muestra la geometría clásica que caracteriza estas
cámaras.
1.1.1 Cámara de doble cuerno. En el diseño de estas cámaras se basa en realizar
geometrías o figuras diferentes a la rectangular de tal modo que el ángulo de incidencia en
las paredes laterales sea forzado o guiado a estar cercano a la incidencia normal. Para dar
la geometría a la cámara se utiliza la técnica de ray-tracing con el fin de minimizar la
cantidad de rayos de energía que se reflectan en la zona de quietud [1], una muestra de tales
geometrías es dada en la Figura 1-3.
Figura 1-3. Geometría generalizada de la cámara de doble cuerno [3].
Cuando la aplicación de la cámara está orientada a realizar mediciones de compatibilidad
electromagnética, es conveniente utilizar este diseño solo cuando el rango de frecuencias es
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6
30-1000MHz, porque se puede disminuir volumen y área con respecto a una cámara
rectangular [1].
1.1.2 Cámara para ondas milimétricas. Estas cámaras son diseñadas para
realizar mediciones referentes a ondas milimétricas, generalmente la geometría de estas
cámaras es rectangular debido a la directividad de las antenas de ondas milimétricas. Para
obtener un buen desempeño en las mediciones se debe cubrir las superficies de estas con
materiales absorbentes especiales,
para obtener un buen desempeño en la banda
milimétrica [3].
1.1.3 Cámara CEM. Actualmente se ha incrementado el diseño de cámaras anecoicas
para compatibilidad electromagnética, debido a que la cantidad de aparatos electrónicos que
se usan en la vida cotidiana ha incrementado.
Las cámaras anecoicas CEM son principalmente usadas para realizar mediciones de
emisiones radiadas (RE) e inmunidad (RI) en el rango de frecuencias de 30 a 1000MHz,
con extensiones a 18GHz o a 40GHz actualmente. Estas cámaras anecoicas generalmente
constan de una cámara blindada con materiales absorbentes instalados en las paredes, el
techo y en algunos casos en el piso [5].
Se encuentran diferentes tipos de cámaras CEM, entre los cuales se destacan: Cámaras
parcialmente lineadas, en las cuales los materiales absorbentes no cubren la superficies
totalmente; Cámaras semi-anecoicas, donde el material absorbente cubre las paredes y el
techo en su totalidad, el piso no contiene material absorbente es un plano metálico reflector
a tierra; y las cámaras anecoicas donde todas las superficies contienen material absorbente
[5].
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7
Figura 1-4. Cámara CEM de 3m de rango de medición [5].
Los rangos de medición o distancia entre el transmisor y el receptor se han estandarizado en
estas cámaras a: 3m, 5m y 10m. La cámara CEM más común es cubierta en todas sus
superficies y con un rango de medición de 3m [5].
1.2 MATERIALES ABSORBENTES PARA CÁMARAS ANECOICAS.
Una de las características de la cámara anecoica es la no presencia de reflexiones en su
interior, para lograr esto, se cubren las superficies con materiales especializados cuyas
características permiten la absorción de las ondas en cierto rango de frecuencias. Estos
materiales absorbentes electromagnéticos toman diferentes formas dependiendo de la
aplicación y la frecuencia. Los dos más comunes son los absorbentes dieléctricos usados
para la absorción en el rango de frecuencias microondas y las ferritas usadas en el rango de
bajas frecuencias [1].
Los absorbentes se caracterizan por su desempeño, el cual se determina comparando la
magnitud de de la onda plana reflejada con la de magnitud de la onda plana incidente en un
material absorbente, el cual es asumido como un plano infinito, de esta comparación se
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8
obtiene el coeficiente de reflexión ( Γ ), que esta enunciado en la ecuación 1-3, donde Er.
es el campo reflejado y Ei es el campo incidente.
Γ=
Er
Ei
Ecuación 1-3. Coeficiente de reflexión.
A partir de (7) se puede calcular la reflectividad R, la cual es la potencia reflejada y es
proporcional a ⎜Γ2⎥, está se expresa en la ecuación 1-4.
R = 10 log( Γ )[dB ]
2
Ecuación 1-4. Reflectividad.
A mediada que el valor de la reflectividad se hace más pequeño entonces el desempeño del
absorbente mejora [6]. Cuando la aplicación de la cámara es referente a la medición de
emisiones debe tener un nivel de reflectividad alrededor de -18dB para 30MHz-1GHz, y
cuando se mide inmunidad el nivel de reflectividad requerido es -18dB para 80MHz-1GHz,
lo anterior se da cuando la cámara tiene 3m de rango de transmisión [6].
Para adquirir buenos niveles de reflectividad en las cámaras anecoicas, se han diseñado
absorbentes de diferentes tamaños y formas, los más destacados se enuncian a
continuación.
1.2.1 Absorbente piramidal. Los absorbentes piramidales son los materiales más
ofrecidos por los fabricantes de cámaras anecoicas, en la figura 1-5 se observa la geometría
que caracteriza este tipo de material absorbente, esta geometría varia en cuanto a la altura
de las pirámides, comúnmente denominada el espesor del absorbente piramidal. En la
industria se encuentran materiales de diferentes espesores, comúnmente entre 5.1cm y
3.7m [1].
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9
Figura 1-5. Diferentes muestras de absorbentes piramidales [7], [8].
El espesor del material determina el buen desempeño de la cámara en cuanto a la absorción
para una frecuencia específica. Retomando que el desempeño se denomina como la
reflectividad y se indica en dB. Generalmente los fabricantes presentan tablas en las cuales
se especifica el espesor, la frecuencia y la reflectividad en –dB de los materiales, así el
diseñador puede elegir el espesor de su conveniencia, un buen ejemplo es dado en la Tabla
1, tomada de las hojas de referencias dadas por la empresa Aemi.
TABLA 6. REFLECTIVIDAD DE ABSORBENTES PIRAMIDALES A INCIDENCIA NORMAL
(Fabricante AEMI) [7]
IEL2-04-I-27
10
Una forma generalizada para hallar el espesor del absorbente partiendo de la reflectividad
para determinada frecuencia es dada la referencia [1], donde se presenta la curva dada en al
Figura 1-6 , la cual caracteriza la relación dada entre la reflectividad, el espesor y la
frecuencia; En el eje Y de la curva se tiene la reflectividad en –dB, y en el eje X se tiene el
espesor en longitud de onda requerido para alcanzar esta reflectividad, así por ejemplo si se
quiere una reflectividad de -30dB, el espesor del material debe ser 0.7 longitud de onda.
Figura 1-6. Reflectividad del absorbente piramidal a incidencia normal [1].
Es importante para el diseñador tener en cuenta que la incidencia no solamente es normal,
ya que en las paredes laterales, el techo y el piso se presenta incidencia oblicua, para
determinar el espesor del material teniendo en cuenta este factor, en la referencia [1] se
presenta la curva dada en la figura1-7, en la cual se observa la relación entre la reflectividad
y el espesor del material en longitud de onda, notablemente se ve en las curvas que a
medida que el ángulo de incidencia crece, la reflectividad diminuye, por lo que se requiere
mayor espesor en el material.
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11
Figura 1-7. Reflectividad del absorbente piramidal con incidencia a diferentes ángulos [1].
Los absorbentes piramidales se fabrican a partir de espuma sólida cargada con carbón y
uretano [1], el porcentaje de carga de carbón que se aplique a la espuma influye en el
desempeño o reflectividad del material lo cual se puede observar en la figura 1-8. La
determinación de la porción de carbón requerida para obtener un buen desempeño se realiza
experimentalmente por parte de los fabricantes.
Figura 1-8. Reflectividad del absorbente piramidal con diferente carga de carbón [1].
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12
1.2.2 Cuñas absorbentes. La geometría de este material se muestra en la figura 19, la cual es similar a la del piramidal en una dirección, pero con forma uniforme en la otra
dirección [1]. Este producto se ha venido utilizando exitosamente en el diseño de cámaras
convergentes [8], también se utiliza en cámaras compactas utilizadas para la medición de
RCS.
Figura 1-9. Cuñas absorbentes ofrecidas por el fabricante Aemi [8].
La reflectividad de las cuñas absorbentes es igual a la de los piramidales con igual altura,
cuando el campo eléctrico es perpendicular a la cuña, si el campo esta co-polarizado con la
dirección de las cuñas la reflectividad es 10dB menos [1].
1.2.3 Absorbente enroscado.
Figura 1-10. Materiales en forma de rollos, fabricante Aemi [8].
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13
La geometría de este material se muestra en la figura 1-10. Este producto es disponible en
varios grados o espesores, es usado primordialmente en rangos de frecuencias por encima
de microondas, especialmente en la banda milimétrica [1].
Como en la banda milimétrica la longitud de onda se hace muy pequeña, la estructura de
las celdas de la espuma es preocupante, por lo que es necesario que tal estructura sea
homogénea y abierta en toda la cara frontal del absorbente o para el caso de una geometría
irregular que las reflexiones limiten la cantidad de energía que se pueda propagar dentro
del medio absorbido [8].
1.2.4 Ferritas. Las baldosas de ferritas han sido usadas por 40 años en aplicaciones de
baja frecuencia [1]. Las baldosas de ferrita tienen dos geometrías básicas la primera una
baldosa simple de 6mm de espesor y de 100m2 y la otra una baldosa con cuadricula, donde
la cuadricula tiene entre 1in (2.54mm) y 0.5in (1.27mm) de lado.
Figura 1-11. Diferentes muestras de ferritas [6],[7].
La ferrita es un excelente absorbente en bajas frecuencias de 30MHz a 1000 MHz. Los
absorbentes de ferrita son inmunes al fuego, la humedad y los químicos [1].
La reflectividad de las ferritas con cuadricula depende del tamaño de cada uno de los lados
de la cuadricula, esto hace que este tipo de geometría tenga una ventaja sobre la ferrita
sólida, ya que variando el tamaño de la cuadricula se puede mejorar la reflectividad para
determinada frecuencia[6].
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14
1.2.5 Absorbente híbrido.
Los materiales híbridos son la combinación de dos
absorbentes: la ferrita y material dieléctrico. Estos toman diferentes formas, como se
observa en la figura 1-12, la más común es base de ferrita unida a una cuña absorbente.
Este material híbrido provee absorbentes que se pueden usar de 30MHz a 18GHz,
usualmente en cámaras CEM [1].
Figura 1-12. Material híbrido [7], [8].
Cuando el propósito de la cámara es medir inmunidad electromagnética un híbrido formado
de baldosa de ferrita y absorbente piramidal es comúnmente usado, por otra parte cuando
la aplicación es referente a la medición de emisiones el material común es unión de ferrita
y cuñas absorbentes [6].
1.2.6 Absorbentes para el piso.
Figura 1-13. Muestra de absorbente que se utiliza para el piso, fabricante Aemi [18].
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15
Los absorbentes para el piso son fabricados para permitir el acceso al interior de la cámara,
sin ocasionar daños a los materiales. Generalmente son absorbentes piramidales cubiertos
con láminas de poli-estireno, estas láminas deben tener una densidad alta.
1.3 BLINDAJE DE LA CÁMARA
Una cámara anecoica debe tener su respectivo apantallamiento,
para prevenir que la
energía radiada en el exterior ingrese al recinto, por lo que se requiere realizar un blindaje
de la cámara para tres tipos de ondas electromagnéticas: ondas magnéticas, eléctricas y
planas. Para la atenuación del campo magnético se requiere materiales con alta
permeabilidad o una ferrita gruesa, este blindaje es el más difícil de alcanzar. El campo
eléctrico se suprime utilizando una barrera metálica normal a la superficie. Y las ondas
planas requieren un buen mantenimiento del blindaje RF hermético para no transmitirse [9].
1.3.1 Teoría del blindaje
Ey
Onda incidente
Ey
Hz
Hz
RECINTO
BLINDADO
Ey
Onda transmitida
Onda reflejada
ENTORNO
EXTERIOR
Hz
Ey
Hz
Onda refleja
interior
Ey
Hz
Onda transmitida
atenuada
BLINDAJE
t
Figura 1-14. Iteración de una onda plana con una barrera metálica
IEL2-04-I-27
16
En la figura 1-14 se muestra la iteración de una onda plana cuando pasa de un medio no
conductor (aire) a un medio conductor (metal). Cuando una onda electromagnética esta en
un medio sin conductividad, dieléctrico perfecto, y pasa a un medio con conductividad
infinita, conductor perfecto,
la onda se refleja totalmente ya que la impedancia del
conductor perfecto es cero [10].
En el caso mostrado en la figura 1-14,
se tiene la frontera aire-metal, como la
conductividad de los metales es considerablemente grande pero no infinita entonces se tiene
que gran parte de la onda se refleja y una porción de la onda es transmitida a través de la
barrera metálica, por tanto la energía que no es reflejada cruza la barrera, en la figura se
indica como onda transmitida, la cual debe ser absorbida por el blindaje. Sin embargo en el
extremo de la barrera metálica encuentra la condición metal-aire por lo que se produce una
onda reflejada hacia en interior de la barrera y una transmitida hacia el interior del recinto.
Durante el procedimiento enunciado anteriormente, ocurren tres fenómenos importantes los
cuales determinan la efectividad del blindaje, estos fenómenos son [9],[11], [12] :
•
Pérdidas por reflexión: La energía incidente en la superficie del blindaje se refleja,
debido a la discontinuidad de impedancia que se presenta en la barrera. Estas
pérdidas dependen de la impedancia del blindaje y de la impedancia de onda, siendo
la última función del tipo de fuente (magnética o eléctrica) y de la distancia entre la
fuente y el blindaje. Las pérdidas por reflexión se denotan R, y se calculan de forma
diferente para cada tipo de onda, como se enuncia a continuación.
Las pérdidas de reflexión referidas al campo eléctrico corresponden a RE (en dB), y
están dadas en la ecuación 1-5.
⎛
µ ⋅f3
RE = 362− 20Log⎜ D⋅ r
⎜
σr
⎝
⎞
⎟dB
⎟
⎠
Ecuación 1-5. Pérdidas de reflexión debidas al campo eléctrico [9].
IEL2-04-I-27
17
Las pérdidas de reflexión correspondientes al campo magnético, se indican como
RH(en dB), y se determinan como se muestra en la ecuación 1-6.
⎧⎛
µr
⎪⎜ 1.173 ⋅
f
⋅σr
⎜
⎪
R H = 20 Log ⎨⎜
D
⎪⎜
⎪⎜
⎩⎝
⎫
⎪
f ⋅σr
⎪
+ 0.354⎬
µr
⎪
⎪
⎭
⎞
⎟
⎟
⎟ + 0.0535 ⋅ D ⋅
⎟
⎟
⎠
Ecuación 1-6. Pérdidas de reflexión debidas al campo magnético [9].
El tercer término para hallar las pérdidas de reflexión corresponde a las pérdidas que
se dan cuando se tiene una onda plana, estas se indican como Rp (en dB) y se
enuncian como en la ecuación 1-7.
⎛ ⎛µ
R p = 168 − 10 Log ⎜⎜ f ⋅ ⎜⎜ r
⎝ ⎝ σr
⎞⎞
⎟⎟ ⎟⎟
⎠⎠
Ecuación 1-7. Pérdidas de reflexión debidas a la incidencia de ondas planas [9].
Los parámetros que aparecen el las ecuaciones 1-5, 1-6 y 1-7 corresponden a:
D: distancia de la barrera metálica a la fuente en cm.
f : frecuencia en Hz.
µr : Permeabilidad relativa a la permeabilidad del aire.
σr : Conductividad relativa a la conductividad del cobre.
•
Pérdidas por absorción: La energía que no se refleja, cruza la superficie del
blindaje, por tanto es atenuada. Las pérdidas de absorción son las mismas para todo
tipo de ondas y están dadas en la ecuación 1-8:
A = 1.314 ⋅ d ⋅
f ⋅ µr ⋅σ r
Ecuación 1-8. Pérdidas por absorción.
donde A son las pérdidas por absorción en dB y d es el espesor de la barrera en cm.
IEL2-04-I-27
•
18
Pérdidas por múltiples reflexiones: La energía que no es atenuada, es decir alcanza
la cara opuesta del blindaje se refleja nuevamente, dentro de la barrera. Este factor
solo se tienen en cuenta cuando las pérdidas de absorción son menores a 15dB,
generalmente los diseños están hechos para obtener pérdidas por absorción mayores
a 15dB [9].
Considerando las pérdidas ocasionadas por los fenómenos mencionados se puede hallar ala
efectividad del blindaje como se da en la ecuación 1-9.
SE (dB ) = Rapropiada (dB ) + A(dB ) + B (dB )
Ecuación 1-9. Efectividad del blindaje
SE (dB): Efectividad del blindaje en decibeles.
R (dB): Pérdidas por reflexión en decibeles.
A (dB): Pérdidas por absorción en decibeles.
B (dB): Pérdidas por múltiples reflexiones en la barrera en decibeles.
Sin embargo en la efectividad del blindaje es importante tener en cuenta los espacios por
medio de los cuales se pueden producir pérdidas, como lo es la puerta, los paneles de
ventilación y tuberías por donde entren los cables para realizar las medidas necesarias, más
adelante se enunciaran estos temas.
Los materiales utilizados para realizar los blindajes son generalmente láminas metálicas,
usualmente de acero galvanizado, cobre y aluminio. Como ya se sabe, la efectividad del
blindaje tiene cierta dependencia del espesor de la barrera, para especificar el valor del
espesor existen curvas que muestran la efectividad del blindaje en el rango de frecuencias
10Hz-30GHz, para diferentes valores de espesores. Estas curvas están dadas en la
referencia [9], en la figura 1-15 se muestra tal curva que relaciona la reflectividad con la
frecuencia dependiendo del espesor para el cobre. Estas curvas se realizaron ubicando la
fuente eléctrica o magnética a 12 in (0.3048m) de la barrera metálica y para ondas planas se
ubica la fuente a 72in (1.8288m) cuando se refiere a ondas planas [9].
IEL2-04-I-27
19
Figura 1-15. . Efectividad del cobre a diferentes espesores [9].
1.3.2 Tipos de blindaje. Los materiales que se utilizan para la construcción del
blindaje consisten básicamente de paneles contrachapados y laminados por un lado o por
los dos con hojas de metal galvanizadas, hojas de metal que son soldadas en un soporte de
acero, hojas de aluminio que se instalan con cinta autoadhesiva, hojas de cobre con papel
en la parte de atrás que se instalan también con cinta autoadhesiva [1].
Existen diferentes formas de blindaje sin embargo se pueden clasificar en tres tipos:
•
Blindaje soldado: Este tipo de blindaje se hace generalmente con acero galvanizado
calibre 16, se construye dentro de un recinto ya existente pero se separa la
construcción existente del blindaje con columnas de acero. Una forma de realizar
este tipo de blindaje es utilizando paneles de madera y en esta instalando las láminas
metálicas.
•
Blindaje prefabricado: Este tipo de blindaje se construye de tal manera que se pueda
sostener sin ningún sistema adicional, junto a este blindaje se diseña también la
IEL2-04-I-27
20
puerta, los sistemas de ventilación y demás aperturas que deba tener el blindaje. En
la figura 1-16 se da una muestra de este tipo blindaje.
Figura 1-16. Muestra de blindaje prefabricado [13].
•
Blindaje arquitectural: Este tipo de blindaje se da cuando en una instalación
existente se adquieren láminas metálicas a la superficie.
1.4 COMPONENTES ADICIONALES
Es importante incluir dentro de la especificación de una cámara anecoica, los
requerimientos estándares que garantizan el mantenimiento y funcionamiento de la cámara.
Los requerimientos estándares se refieren a los equipos adicionales que se deben especificar
en el diseño de una cámara anecoica. Algunos de estos requerimientos tienen relación
directa con la construcción del blindaje y otros se refieren a la adquisición y procesamiento
de datos.
IEL2-04-I-27
21
1.4.1 Puerta de acceso. La puerta de acceso en una cámara anecoica se diseña de
acuerdo a los requerimientos del usuario, por esto los fabricantes ofrecen puertas de
diferentes tamaños. En el mercado se encuentran dos tipos de puertas, las puertas que se
abren con bisagra (simples y dobles), como la que se ve en el figura 1-17, y las puertas
movedizas o corredizas. En la instalación de la puerta es muy importante que la unión
entre el marco de la pared blindada y la puerta sea lo más hermética posible; por esto los
marcos se recubren con materiales especiales como lo es berilio de cobre. Es importante
tener en cuenta que en la puerta se debe mantener especial cuidado con el material
absorbente [13].
Figura 1-17. Puerta de acceso, simple de bisagra, ofrecida por Frankonia[13].
1.4.2 Paneles de Ventilación. El diámetro y la longitud de cada uno de los paneles
individuales dependen de la máxima frecuencia de funcionamiento de la cámara. Para
recintos pequeños que estén ubicados en un espacio con buena ventilación, es suficiente
ubicar paneles de ventilación en diagonal; si la cámara es grande o no tiene suficiente
ventilación entonces es necesario adicionar aire acondicionado o ventiladores con fuerza
[13].
Los paneles de ventilación inciden en la efectividad del blindaje ya que tienen aberturas que
permiten el ingreso de energía radiada del exterior, por lo tanto la efectividad del blindaje
se reduce. Cuando las aberturas que tienen estos paneles de ventilación son pequeñas con
IEL2-04-I-27
22
relación a la longitud de onda entonces puede ocurrir una alta efectividad o una buena
atenuación. La ecuación 1-10, muestra la estimación de la efectividad del blindaje para
estas estructuras [9].
2
⎡
⎤
RL = 0.0046 ⋅ l ⋅ f o ⋅ ⎢⎛⎜ f c ⎞⎟ − 1⎥ dB
fo ⎠
⎣⎝
⎦
Ecuación 1-10. Efectividad del blindaje en estructuras con aperturas [9].
Los términos de la ecuación 1-10 son:
l: espesor en pulgadas de las aperturas.
fo: frecuencia de operación en MHz.
fc: frecuencia de corte en MHz, establecida como:
5900/g para aperturas rectangulares.
6920/g para aperturas circulares.
g: dimensión transversal de la apertura.
Figura 1-18. Paneles de Ventilación ofrecidos por Chomerics [15].
Los fabricantes de paneles de ventilación, especifican el tamaño total, el tamaño de las
aberturas y las pérdidas por absorción que estos presentan. Por ejemplo la empresa
Chomerics, ofrece entre sus productos paneles que proveen una atenuación mayor a 90dB
en 500MHz-10GHz, en diferentes tamaños, hechos de aluminio y el espesor de las
aberturas es 0.188in (4.8mm). En la figura 1-18 se muestran estos paneles [15].
IEL2-04-I-27
1.4.3 Filtros.
23
Los filtros son necesarios para evitar interferencias causadas por los
equipos de medición o por la instalación eléctrica. Hay filtros para diversas aplicaciones y
diseños especiales como los son: filtros de señal, de datos, para alarmas contra el fuego etc.
Al elegir un filtro se deben tener en cuenta diferentes aspectos como los son:
consideraciones mecánicas, frecuencia de corte, banda pasante, pérdida de inserción,
voltaje, corriente.
En la elección del filtro se deben tener en cuenta algunas consideraciones como lo son [14]:
•
La primera consideración en la elección del filtro es determinar el voltaje (línealínea y línea-tierra) del sistema, y la corriente que soportará el filtro.
•
Luego se debe especificar la banda de frecuencias pasante y la que no debe pasar.
Es recomendable que la banda de frecuencias pasante sea amplia para permitir que
el sistema opere correctamente. Para filtros referentes a líneas de potencia, la
frecuencia de la potencia debe estar indicada. La banda de frecuencias no pasantes
debe ser especificada para lograr que las frecuencias no deseadas sean rechazadas.
•
Las pérdidas de inserción, es la relación entre la potencia recibida antes y la recibida
después de la inserción del filtro para una frecuencia dada, estas pérdidas se indican
en dB. Esta medida caracteriza el grado de atenuación que el filtro debe tener para
determinado rango de frecuencias.
•
En el caso de filtros de datos y señales, la impedancia de carga para la banda
pasante debe ser especificada para asegurar que el filtro opere correctamente en la
transmisión de datos.
•
Se debe escoger el tipo de entrada capacitiva o inductiva, la entrada inductiva es
más costosa que la capacitiva pero tiene la ventaja de limitar efectos de transientes.
1.4.4 Acometidas.
Es necesario ubicar paneles en el blindaje de la cámara para
facilitar el ingreso de cables que contienen la información de las mediciones y la corriente
para la iluminación. Los paneles varían en tamaño y son fabricados junto al blindaje. En
IEL2-04-I-27
24
estos paneles se ubican los conectores. En la figura 1-19 se muestra una forma de estos
paneles para el ingreso de los cables.
Figura 1-19 Paneles para el ingreso de cables al recinto [16].
1.4.5 Iluminación. Según el catálogo de Frankonia-emc [15], las lámparas de alógeno
son el estándar de iluminación que se utiliza en cámaras anecoicas; cuando el material
absorbente de la cámara es ferrita se recomienda instalar las lámparas en las esquinas del
techo, cuando se tiene absorbentes piramidales las lámparas se ubican entre las puntas de
los absorbentes. Los cables para las lámparas se instalan antes del material absorbente en
tubos metálicos.
Las lámparas de halógeno son muy populares ya que producen una gran cantidad de luz e el
costo de estas es razonable [17].
instrumentos de espectrometría
lámparas.
Este tipo de lámpara es ideal para proveer luz en
[18]. En la figura 1-20 se muestra un tipo de estas
IEL2-04-I-27
25
Figura 1-20. Lámpara de halógeno MR1100 [18] .
1.4.6 Sistema de Protección contra incendios.
El sistema de protección
contra incendios es importante debido a que la mayoría de materiales absorbentes están
constituidos por carbón. En el comercio de las cámaras anecoicas se conocen tres sistemas
principalmente los cuales son [1]:
•
Sistemas de roseo: tuberías para esparcir agua son instaladas en el techo. El sistema
se puede activar por sensores o manualmente. Este sistema es el menos usado ya
que algunos materiales son de espuma y es muy difícil secarlos después de que les
cae el agua.
•
Sistemas de descarga de gas: por acción de un censor o manualmente se descarga un
gas en la instalación, uno de los gases que se usan es CO2, el cual tiene un buen
funcionamiento, pero es altamente peligroso para los seres humanos, los sustitutos
del Halon son usados ya que estos no son peligrosos.
•
Aislamiento: Algunos fabricantes y diseñadores prefieren aislar la instalación por
dos horas y no usar ningún sistema de protección, excepto detectores de humo
dentro de la cámara.
1.4.7 Antenas y Soportes. Un punto importante en el diseño es la especificación de
la antena, la cual puede variar dependiendo del tipo de cámara y de medición a realizar, las
IEL2-04-I-27
26
antenas comúnmente utilizadas son antenas de cuerno estándares y antenas de cuerno
exponenciales como fuentes en el caso de caracterización de antenas; antenas Yagi (para
bajas frecuencias) y LPDA para cámaras convergentes y dipolos, biconicals, LPAs,
bi’logs, antenas de cuerno para cámaras EMI.
La antena fuente se ubica cercana al borde del material absorbente, y el sistema de medidas
o el parámetro bajo prueba se ubican en la zona de quietud.
A continuación se enuncian algunas de las antenas encontradas en el mercado para cámaras
anecoicas:
Para efectos de mediciones de emisiones radiadas de equipos eléctricos y electrónicos TDK
ofrece la antena “ HLP-3003C Hybrid Log Periodic”, en el rango de frecuencias de
30MHz-3GHz. Esta se observa en la figura 1-21.
Para efectos de caracterización de antenas TDK ofrece la antena “LPDA-8003 Log Periodic
Dipole” para el rango de frecuencias 300MHZ-3GHz. Esta se muestra en la figura 1-22.
Figura 1-21. HLP-3003C Irbid Log Periodic[20]
Figura 1-22. LPDA-8003 Log Periodic Dipole [21]
Otro tipo de antena ofrecida por la empresa TDK, es una antena de cuerno especial para
mediciones referentes a CEM, esta se caracteriza por “ HRN-0118”, además esta antena
provee un buen comportamiento en las frecuencias 1GHz-18GHz. En la figura 1-23 se
muestra esta antena. Sunol Sciences ofrece la antena enunciada anteriormente, se observa
en la figura 1-24.
IEL2-04-I-27
27
Figura 1-23. Antena HRN-0118 para CEM,
Figura 1-24. Antena DRH-118 para CEM,
empresa TDK[22].
empresa Sunol Sciences[23].
1.5 MEDICIONES
Para cumplir el propósito de la cámara, tomar las medidas necesarias es recomendable tener
un cuarto adicional con los equipos para realizar el procesamiento de los datos.
Los equipos más importantes requeridos en este cuarto adicional son:
•
Analizar de Espectros.
•
Generador de Señales.
•
Analizador de redes.
•
Medidor de Potencia.
•
Computador.
IEL2-04-I-27
28
Generador
de Señales
Analizador
de espectros
Computador
Analizador
de redes
Medidor de
potencia
Figura 1-25. Equipos de medición en la cámara anecoica.
Para el sistema de adquisición de datos es importante contar con un software especializado,
por eso diferentes empresas ofrecen sus productos, entre los más destacables están:
•
LabView: ofrecido por la empresa Nacional Instruments, excelente interfaz entre
equipos de medición y el PC, compatible con Windows [24].
•
959 Spectrum: ofrecido por la empresa Orbit FR, es compatible con Windows,
exporta los datos a Excel, y tiene una excelente interfaz gráfica, en la referencia [25]
están dadas todas sus especificaciones.
•
MIDAS: Software ofrecido por la empresa Orbit FR , utilizado para la medición de
antenas, es compatible con Windows, tiene una buena interfaz gráfica. Las
especificaciones se encuentran en la referencia [26].
IEL2-04-I-27
•
29
La empresa TDK ofrece gran variedad de software especializado para la adquisición
de datos, respecto a mediciones de emisiones e inmunidad electromagnética [27].
2 DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN
El diseño de la cámara anecoica que se presenta en este proyecto se realizó siguiendo cada
una de los pasos enunciadas a continuación:
•
Definición de la aplicación.
•
Especificación del rango de frecuencias de operación.
•
Especificación de materiales.
•
Determinación de dimensiones cámara anecoica.
•
Geometría de los materiales en las superficies.
•
Determinación de accesorios.
•
Especificación de equipos de medición.
2.1 DEFINICIÓN DE LA APLICACIÓN
La cámara anecoica diseñada en este proyecto presenta dos aplicaciones específicas, la
primera esta referida a la calibración de antenas y la segunda a mediciones de
compatibilidad electromagnética.
IEL2-04-I-27
30
2.2 ESPECIFICACIÓN DEL RANGO DE FRECUENCIAS DE
OPERACIÓN.
El rango de frecuencias establecido para esta aplicación es: 30MHz-18GHz, el cual fue
determinado teniendo en cuenta que se quiere cubrir un amplio rango de aplicaciones es
decir poder medir diferentes antenas, especialmente las más comercializadas que se dan en
la banda RF y microondas. Es fundamental considerar que la segunda aplicación se refiere
a las mediciones de compatibilidad electromagnética, para lo cual se requiere trabajar en
un rango de frecuencias bajo 30-1000MHz.
2.3 ESPECIFICACIÓN DE MATERIALES
2.3.1 Determinación del Blindaje.
Para eliminar las interferencias del medio
exterior y teniendo en cuenta que se debe contar con una estructura fuerte para soportar el
peso de los materiales absorbentes se decidió que el mejor tipo de blindaje para esta cámara
es utilizar soportes o columnas de acero, las medidas de estos son 15cm x 10cm, estas se
ubican a lo largo de la longitud de tal modo que son equidistantes, como se indica en la
figura 2-1.
En estos soportes de acero se sueldan láminas de cobre de 2mm de espesor las cuales
presentan una buena efectividad, por encima de 80dB a lo largo del rango de frecuencias.
En la figura 2-2 se el diseño del blindaje que se propone.
IEL2-04-I-27
31
Figura 2-1. Plano de una de las paredes para el blindaje.
Figura 2-2. Diseño de blindaje propuesto.
IEL2-04-I-27
32
Algunas empresas siguen las indicaciones dadas por el consumidor y construyen el
blindaje, otras han establecido estándares para ofrecer a sus clientes, como es el caso de la
empresa Shielding Corp, que ofrece diferentes tipos de blindaje. Para el caso de nuestro
diseño es conveniente utilizar la referencia USC-44 Solid Wall, blindaje hecho a base de
cobre la efectividad que presenta este tipo de blindaje es mostrada en la tabla 2.
Tabla 7. ATENUACIÓN TÍPICA DEL MATERIAL USC-44
Tipo de Campo
Atenuación típica USC-44
Magnético
15dB a 1KHz, 40dB a 15KHz, 70dB a 100KHz
Eléctrico
>80dB a 1KHz, 100 dB desde 15KHz hasta 10MHz
Ondas Planas
100dB a 400MHz, 93 dB a 1GHz, 80 dB a 2GHz.
Microondas
60dB a 10GHz
Figura 2-3. Blindaje USC-44 ofrecido por Shielding Corp.
Más adelante se enunciaran las demás características que hacen parte del diseño del
blindaje, como lo es la puerta, y los paneles de ventilación.
2.3.2 Especificación del material absorbente. Para cumplir con un buen nivel
de reflectividad, se ha determinado que el absorbente a utilizar debe ser un material híbrido.
El absorbente seleccionado consta de una base de ferrita unida a una espuma sólida
IEL2-04-I-27
33
cargada con carbón, este material es negro pero al final se le adiciona una capa blanca, este
producto es ofrecido por la empresa TDK, en la Figura 2-4 se observa la geometría de este.
Figura 2-4. Geometría del material escogido [7].
El material escogido pertenece a la serie IP, que viene en espesores desde 45cm hasta
130cm. Para esta diseño se utiliza el IP-045C, el cual tiene un espesor de 45cm y el IP60BL de 60 cm. de espesor, este último se instala con una base de ferrita que esta
referenciada como IB-015 y tiene 6.3mm de espesor.
Los niveles de reflectividad a incidencia normal que presentan estos materiales se enuncian
en la tabla 1, de la cual se observa que el material mantiene buenos niveles de reflectividad
para el rango de frecuencias de 30 MHz-18GHz.
Tabla 8. NIVELES DE REFLECTIVIDAD DE LOS MATERIALES ESCOGIDOS, A INCIDENCIA
NORMAL [7].
Referencia
material
Frecuencia
IP-060BL
30 MHz
Reflectividad 17dB
50 MHz 100 MHz 500 MHz 1 GHz 5 GHz 18GHz 40 GHz
18dB
18dB
20dB
20dB
30dB
40dB
40dB
20dB
30dB
40dB
40dB
Referencia
IP-045C
material
Reflectividad 15dB
18dB
18dB
20dB
IEL2-04-I-27
34
En la referencia [28] se dan las características generales del material IP-045C, de las cuales
destacamos las siguientes:
•
•
Dimensiones: 600mm x600mm x 450mm.
Composición básica de baldosas de ferrita con goma sólida.
•
45kg/cm2 de tensión.
•
No se deteriora con el agua.
•
15 años de vida útil.
•
Implementado para reaccionar contra el fuego según norma NRL.
•
La geometría de este material es la unión de baldosas de ferrita, con cuñas
absorbentes y una capa blanca la final.
•
Es disponible para instalaciones en el piso.
Figura 2-5. Material IP-045C [28].
En la referencia [29] se dan las características generales del material IP-060BL, de las
cuales destacamos las siguientes:
•
Dimensiones: 600mm x600mm x 60mm.
•
Composición básica de baldosas de ferrita con goma sólida.
•
No se deteriora con el agua.
•
15 años de vida útil.
•
Implementado para reaccionar contra el fuego según norma NRL.
•
La geometría de este material es la unión de baldosas de ferrita, con absorbentes
piramidales y una capa blanca la final.
IEL2-04-I-27
35
Figura 2-6 Material IP-045C [29].
Para el caso concreto del diseño de esta cámara las dimensiones estuvieron limitadas por el
espacio disponible, específicamente la altura.
Se determinó el rango de transmisión de la cámara como 3m, ya que es uno de los
estándares para cámaras CEM. Partiendo de este rango se especificó el ancho de la cámara,
teniendo en cuenta que este debe ser mayor a la mitad del rango de transmisión [1], se
determinó como 3m al igual que la altura. El diámetro de la zona de quietud se calcula para
que sea aproximadamente un tercio de la dimensión más pequeña [2], es este caso su valor
es 1m.
La longitud de la cámara se determinó, teniendo en cuenta que se debe dejar el espacio
suficiente para colocar el material absorbente. Como el material absorbente tiene un
espesor de 60cm, y se coloca en las dos paredes (frontal y final), ocupa un espacio de 1.2m.
La longitud total se especificó como la suma de los siguientes parámetros: 3m distancia
entre receptor y transmisor; 1.2m espacio para el absorbente; la zona de quietud ocupa 1m
de diámetro pero el receptor se ubica en la mitad de está, por lo que este parámetro suma
0.5m; la distancia entre la zona de quietud y el material absorbente debe ser por lo menos
0.9 m[2], en este caso tomamos esta distancia como 1m; y finalmente se deja una distancia
entre la pared frontal y el transmisor de 0.1m para efectos de ubicación de la antena.
Por todo lo anterior las dimensiones de la cámara son: 3mx3mx5.8m (WxHxL).
IEL2-04-I-27
36
2.4 GEOMETRÍA DEL MATERIAL ABSORBENTE EN LAS
SUPERFICIES
En las paredes frontal y final, las superpies laterales y el techo se utiliza material con
espesor de 0.6m, esto se determinó debido a que no se conocía características de la
incidencia oblicua de este material, además un material de mayor espesor seria 0.93m el
cual es muy grande para el espacio que se tiene. Por tanto se decidió colocar los materiales
uniformemente.
Para el piso se decidió calcular la zona Fresnel, ya que en el piso o se instalan materiales
especiales para el piso o se deja el espacio suficiente para el ingreso del personal, por esta
razón en el piso solo se colocará material en la zona Fresnel. Para el piso el material a usar
es el IP-045C.
La zona Fresnel calculada siguiendo el procedimiento dado en [1] e indicado en el anexo 1,
tiene una longitud de 2.8m y se ubica a 1.5m del borde del absorbente en la pared frontal.
En la Figura 2-7 se observa la ubicación de esta zona, el diamante corresponde a la zona
Fresnel y el círculo a la zona de quietud, en la figura se ven las paredes frontal y final con
material de 60cm de espesor y en la Figura 2-8 da una vista 3D de la cámara con materiales
absorbentes en una pared lateral y en las paredes frontal y lateral.
IEL2-04-I-27
37
Figura 2-7. Muestra la ubicación y forma de la zona Fresnel (diamante), y la ubicación de la zona de
quietud (círculo), medidas en mm.
Figura 2-8. Ubicación del material en las paredes lateral izquierda, frontal y final, y el piso de la
cámara anecoica.
IEL2-04-I-27
38
2.5 DETERMINACIÓN DE ACCESORIOS
2.5.1 Puerta. La puerta de acceso tiene medidas de 1.2m x 2.1m, se especifica como
puerta sencilla para abrir con bisagra, y se ubica en la pared final de la cámara. En la figura
2-9 se muestra el plano de la pared final con la puerta incluida. El tamaño de la puerta es
dado según estándares de los fabricantes, para el caso TDK.
Figura 2-7. Pared final con la puerta incluida, medidas en mm.
2.5.2 Acometidas. Se requieren dos paneles de conexión en una de las paredes
laterales, uno para la entrada a la antena fuente y otro para la recepción de los datos y para
el techo se requiere un panel de instalación para la iluminación.
2.5.3 Paneles de ventilación. Siguiendo las recomendaciones de Fankonia [13], se
ubicarán dos paneles para la ventilación, en diagonal en una de las paredes laterales. Estos
paneles tienen un tamaño de 45cmx45cm. En la Figura 2-10 se muestra el exterior del
blindaje, con estos paneles.
IEL2-04-I-27
39
Figura 2-10. Vista da paneles de Ventilación en una de las paredes laterales, medidas en mm.
2.5.4 Filtros. Se necesitan filtros de potencia y filtros de señales. El filtro para la línea
de potencia AC ofrecido por la empresa TDK, funciona para 120V, 15A y 60Hz. Este tiene
estilo de adaptador y la referencia es Ans-115U. De esta misma empresa se selecciona los
filtros para señales que son referenciados como ZJSR. En la figura 2-12 se muestra la forma
de conexión de este filtro [30].
Figura 2-11. Ubicación del filtro ZJSR EMC, ofrecido por la empresa TDK [30]
IEL2-04-I-27
40
2.5.5 Iluminación. Se ubicarán dos lámparas de alógeno, cada una en una esquina
diagonal opuesta del techo.
2.5.6 Protección contra incendios. El método para realizar la protección contra
incendios más efectivo y recomendado es la descarga de un gas.
2.5.7 Antenas y soportes. El sistema de medición esta referenciado como DAMS
6000, ofrecido por la empresa Diamond Engineering, maneja un rango de frecuencias de
DC-18GHz, contiene un software especializado para los datos.
2.5.8 Especificación de equipos de medición.
Para garantizar la buena
adquisición de los datos se requieren los siguientes equipos en la cámara anecoica:
Generador de Señales, Analizador de Espectros, Analizador de Redes y un equipo para
almacenar y procesar los datos, es decir un computador con software especializado, además
un medidor de potencia.
En el mercado existen diferentes empresas y referencias de estos equipos, sin embargo se
recomiendan debido a sus características los siguientes:
•
Analizador de espectros:
Empresa: HP-Agilent
Referencia: HP 8593E,
Rango de frecuencias: 9kHz.-22GHz.
Figura 2-12. Analizador de espectros.
IEL2-04-I-27
•
41
Analizador de Redes:
Empresa: HP-Agilent
Referencia: HP 8720E,
Rango de frecuencias: 130MHz.-20GHz.
Figura 2-13 Analizador de
redes.
•
Generador de Señales:
Empresa: HP-Agilent
Referencia: HP 83732B
Rango de frecuencias: 10MHz.-20GHz.
Figura 2-14. Generador de Señales
•
Medidor de Potencia:
Empresa: HP-Agilent.
Referencia: HP 438A
Rango de frecuencias: 100kHz.-50GHz.
Nivel de potencia: -70 a +44dBm.
Figura 2-15. Medidor de potencia
El medidor de potencia requiere un sensor de potencia que se especifica a continuación.
•
Sensor para medidor de Potencia:
Empresa: HP-Agilent.
Referencia: 8480
Rango de frecuencias: 100kHz.-50GHz.
Figura 2-8. Sensor para medidor de
potencia.
Nivel de potencia: -70 a +44dBm
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Para la realización de estas mediciones se cuenta con el cuarto adjunto a la cámara dentro
del cual están los equipos para las respectivas mediciones.
Este cuarto se ha especificado con las siguientes dimensiones: 3mx3mx3m. Es
recomendable que el cuarto adjunto tenga su respectivo blindaje para adquirir mayor
seguridad en el desarrollo de las mediciones.
En la figura 2-17 se muestra una vista del plano general incluyendo el cuarto de
mediciones.
Figura 2-9. Vista de la cámara anecoica y cuarto de mediciones adjunto, dimensiones en mm.
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43
3 PRESUPUESTO
El presupuesto estimado para cada uno de los componentes es enunciado a continuación.
1) Material absorbente: El presupuesto del material absorbente se estima a partir de los
precios dados por la empresa TDK, quienes venden unidades que cubren un área de 0.36m2.
En la tabla 2 se muestra la estimación del presupuesto, en esta se especifica el tipo material,
es decir el IP-060BL y la ferrita IB-015para el techo y las paredes. El área del techo y las
paredes laterales es 5.8mx3m, el de las otras paredes es 3mx3m, es decir que sumando estos
factores se tiene un área total de 70.2m2. Cada pieza de IP-060BL cuesta $52.59 USD y
del IB-015 $51.12 USD.
Como para el piso se tiene un tratamiento especial se halla el área de la zona Fresnel donde
se cubre con IP-015C, lo que da como resultado 5.94m2. Cada pieza de IP-015C tiene un
precio de $100 USD.
Como cada pieza de material tiene 0.36m2 entonces dividimos el área a cubrir por el área de
cada pieza y obtenemos las piezas que se requieren de cada material.
Tabla 9. ESTIMACIÓN DEL PRESUPUESTO PARA EL MATERIAL ABSORBENTE.
Área
2
2
MATERIAL Área requerida(m ) unidad(m )
Precio por
Precio
Unidades
unidad
total
requeridas
$ USD
$ USD
IP-060BL
70.2
0.36
195.00
52.59
10255.05
IB-015
70.2
0.36
195.00
51.12
9968.40
IP-045C
5.94
0.36
16.50
100
1650.00
Total
21873.45
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En conclusión el presupuesto que se necesita para el material absorbente es de:
$21873.45USD.
2) Blindaje: Los costos del recinto blindado de 3mx3mx5.8m (WxHxL), con puerta de
1.2mx2.1m (WxH);
paneles de conexión y sus respectivos conectores, y paneles de
ventilación tienen un costo estimado de $ 35,000 USD, según la empresa TDK.
3) Filtros: Los filtros de potencia especificados por la empresa TDK, tienen un costo de
$500 USD y los filtros de señales cuestan $300 USD.
4) Sistema de protección contra incendios: Un sistema de protección contra incendios, por
el método de descarga de gas tiene un costo estimado de $ 5,000 USD. Se estimó partiendo
del costo del sistema de protección a incendios instalado en el edifico de computo de la
Universidad de Los Andes, el cual costó aproximadamente $ 10.000 USD.
5) Instalación eléctrica: La instalación eléctrica del recinto incluyendo las luces tiene un
costo $ 2.000 USD.
6) Antenas y soporte: costo estimado de $15.000 USD.
7) Equipos de medición: Este presupuesto se estimó considerando los datos encontrados en
las referencias [31]-[34].
Tabla 10. ESTIMACIÓN COSTO DE EQUIPOS DE MEDICIÓN
EQUIPOS
PRECIO $USD
Analizador de espectros
$ 17,000
Analizador de redes
$20.000
Generador de Señales
$ 37,950
Computador
$ 2,000
Software
$ 10,000
Medidor de Potencia
Total
$5,000
$ 91,950
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7) Costos totales: En la tabla 4, se muestra el resultado de la suma de cada uno de los
parámetros enunciados anteriormente, se adiciona una columna en la que se calcula el 30%
referente a: 16% IVA y 14% por costos de flete, nacionalización, aduanas etc.
Tabla 11. ESTIMACIÓN PRESUPUESTO TOTAL
Parámetro
Material absorbente
Blindaje
Filtros
Protección a incendios
Precio $ USD
21,873.45
30 %
Impuesto
Total
$ USD
$ USD
6,562.04
28,435
35,000
900
5,000
10,500.00
270.00
1,500.00
45,500
1,170
6,500
2,000
600.00
2,600
Antena y soporte
15,000
4,500.00
19,500
Equipos de medición
91,950
27,585.00
119,535
Instalación eléctrica
SUBTOTAL 223,240.49
15%
Instalación
TOTAL
33,486
256,726.56
Asumiendo que los costos por instalación serán un 15% del monto total, se tiene un
estimado para la construcción de la cámara y la adquisición de equipos de $ 256,726.56
USD.
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4 CONCLUSIONES
Se mostró el diseño de una cámara anecoica, cuyo propósito es la medición de CEM y
calibración de antenas. La geometría de la cámara es rectangular debido a la aplicación y a
la facilidad en su construcción. Se especificó el tamaño de la cámara de: 3m X3m X5.8m y
el rango de frecuencias de operación de 30MHz -18GHz.
Para garantizar buenos niveles de reflectividad, alrededor de -18dB en la cámara anecoica
se especificó un material absorbente híbrido ya que el desempeño de este es favorable en el
rango de frecuencias 30MHz-18GHz. Así mismo se especificó un blindaje con una
efectividad alrededor de 80dB para obtener la ausencia de ruido exterior.
Se realizó la estimación de un presupuesto teniendo en cuenta los diferentes parámetros
que constituyen una cámara anecoica, esto con el fin de establecer una referencia que
facilite su adquisición en caso de implementación.
La información expuesta en este documento puede ser utilizada como referencia para
realizar la construcción de una cámara anecoica, debido a que se muestran las
características generales de los requerimientos de funcionamiento para tales recintos.
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[33] http://www.used-line.com
[34] http://www.tesales.com
48
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49
Anexo A. Zona Fresnel
•
Se especifica la altura del receptor (hr) y el transmisor (ht), y la distancia
entre estos (R) . Para el caso se tiene:
ht = 1.5m
hr = 1.25m
R = 3m
•
Calculo de las zonas de fresnel:
⎛ ht + hr ⎞
⎟
⎝ R ⎠
φ = tan −1 ⎜
Zona 1.
⎤
⎡ Nλ
F1 = ⎢
+ sec(φ )⎥
⎦
⎣ 2R
Para lo cual se toma N=6 ya que empíricamente se ha
comprobado que con este valor se obtiene una zona de
cubrimiento alta.
λ equivale a la longitud de onda de la frecuencias más baja, para
nuestro caso como se tenia limitación de altura, la frecuencias
más baja sobrepasaba estos limites, por lo que se calculó la zona
Fresnel a 2GHz.
Zona 2.
(
2
2
F 2 = hr − ht
)
[(F1
2
) ]
−1 R 2
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50
Zona 3.
(
2
2
F 3 = hr + ht
)
[(F1
2
) ]
−1 R 2
Se calcula el centro de la zona:
C N = R (1 − F 2)
2
El largo de la zona:
(
)
L N = R ⋅ F1 1 + F 2 2 − 2 F 3
12
El ancho de la zona:
[(
)(
)]
W N = R ⋅ F12 − 1 1 + F 2 2 − 2 F 3
1
2
Para el diseño de esta cámara el centro de la cámara es 1.5m y el
largo 2.8m.