Avances en el Desarrollo del Patrón Nacional de Factor de Antena

Transcripción

1 Avances en el Desarrollo l Patrón Nacional Factor Antena Mariano Botello-Pérez, Victoria Molina-López, Israel García-uiz km 4,5 Carretera a Los Cués, 76246, Querétaro, México. mbotello@cenam.mx SUMN n la evaluación la conformidad con diversas normas Compatibilidad lectromagnética (CM) se utilizan antenas calibradas en la magnitud Factor Antena (). Actualmente, en el CNAM se trabaja en el establecimiento l Patrón Nacional con el objetivo dar trazabilidad a las mediciones que se realizan en este campo en nuestro país. l patrón se compone un conjunto 24 ternas dipolos resonantes media longitud onda entonados a frecuencias específicas entre 30 MHz y MHz. n este trabajo se scriben la realización física este patrón y el cálculo teórico su. 1. INTODUCCIÓN Cuando se acen mediciones intensidad campo eléctrico,, este campo que inci en la estructura la antena induce una corriente eléctrica, manera que es posible medir una tensión (V r ) en las terminales la antena, Fig. 1. Campo eléctrico incinte Fuente Antena Fig. 1. Concepto factor antena. La función que scribe la relación entre la intensidad l campo eléctrico incinte, en V/m, con el valor la tensión medida en las terminales la antena, en V; es el que pue escribirse como se indica en la c. (1) [1]: [1/m] = / V r. (1) xiste una ambigüedad cuando se especifica el una antena, ya que el nivel tensión salida una antena es pendiente la carga que se conecta en sus terminales. Sin embargo, la mayoría los receptores radiofrecuencia (F) tienen impedancia entrada resistiva 50 Ω, manera que la mayoría los publicados consiran que la impedancia carga que se conecta a la antena es 50 Ω. eceptor 50 Ω V r l para el campo eléctrico tiene unidas 1/m. Sin embargo, para utilizarlo en una escala logarítmica, el en db se refiere o normaliza a un 1 V/m por Volt o 1/m. Por lo cual, el para el campo eléctrico se expresa en db (1/m); en tal caso se entien que está referenciado a un factor antena 1/m como se indica en la c. (2): = 20*log 10 ( / V r ). (2) l pue evaluarse en condiciones espacio libre reflexiones, sin embargo, las mediciones CM se llevan a cabo sobre una superficie conductora (o superficie reflectora señales F) por lo que es necesario conocer el a cierta altura sobre el plano conductor. Las antenas que se emplean como antenas referencia para la calibración l a frecuencias menores a MHz son l tipo dipolo y monopolo. sto se be a que su sempeño es calculable con un alto grado exactitud [2] y por esa razón se utilizan como antenas referencia al nivel patrones nacionales. n el CNAM, el patrón nacional factor antena se materializó mediante un conjunto antenas l tipo dipolo resonante media longitud onda. n total se construyeron 24 ternas dipolos entonados a las frecuencias medición típicas en el área CM en el intervalo 30 MHz a MHz. Las frecuencias medición establecidas en la norma CISP [3] son (en MHz): 30, 35, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 120, 140, 160, 180, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 y La utilidad l patrón nacional factor antena se pue resumir en los puntos siguientes: SM2008-M

2 1. Calibración otras antenas empleadas como patrones transferencia la magnitud (por ejemplo, antenas banda anca). Los patrones banda anca calibrados permitirán a su vez terminar el todas aquellas antenas que en los laboratorios e industria se utilizan para medir y generar campos electromagnéticos en aplicaciones CM. 2. Como parte l sistema para validar sitios calibración antenas (CALTS, por sus siglas en inglés) y verificar su conformidad con los requerimientos normas internacionales. 3. Como parte l sistema para validar sitios para medición emisiones radiadas provenientes equipo eléctrico, electrónico o electromecánico y verificar que éstos cumplen con los requerimientos normas internacionales. stos sitios se conocen como sitios pruebas conformidad (COMTS, por sus siglas en inglés). 4. Para realizar comparaciones atributos metrológicos otros CALTS existentes en laboratorios nacionales metrología. 2. DSCIPCIÓN D LAS ANTNAS D FNCIA n el CNAM se sarrollaron tres juegos dipolos patrón. Cada juego consta 24 antenas sintonizadas a cada una las frecuencias interés en el intervalo 30 MHz a MHz. Los dipolos se diseñaron siguiendo las especificaciones que se tallan en la sección la norma CISP [3]. Las antenas dipolo se componen dos partes principales: un elemento alimentación banda anca (balún) y una estructura radiación cilíndrica longitud finita, véase Fig Ω Σ Puerto entrada/salida (coaxial tipo N) Acoplador ibrido Ferrita Ferrita Balún Acoplamiento Acoplamiento Cables coaxiales semirrígidos Puertos tipo OSP Fig. 2. structura la antena dipolo patrón. Los balunes comerciales con que dispone el laboratorio cumplen con las características normativas scritas en el punto la norma CISP [3] y son similares al scrito en el apéndice B la misma norma. stos balunes se 2 3 structura radiación Soporte dieléctrico Varillas metal utilizan para proveer alimentación simétrica a los elementos radiadores l tipo dipolo en todo el intervalo frecuencias comprendido entre 30 MHz y MHz, así como para proveer un medio acoplamiento impedancias entre la línea transmisión coaxial que viene l generador/receptor y los elementos radiadores. La estructura radiación se compone dos conductores cilíndricos (elementos radiadores), un soporte material dieléctrico y un par conectores coaxiales l tipo OSP presión, Fig. 2. l soporte material dieléctrico mantiene alineados a los elementos cilíndricos y sirve base para enroscar a los conectores OSP. Los elementos cilíndricos en el extremo sujeto por el soporte se encuentran separados una distancia muy corta que permite sean soldados al conductor central los conectores OSP. Las dimensiones los elementos radiadores, mostrados en la Fig. 3, penn completamente la frecuencia a la cual se quiera entonar el dipolo media longitud onda. Por ese motivo en la sección siguiente se scribe el procedimiento utilizado para calcular las dimensiones los 24 dipolos sarrollados. L we L a W g lementos radiadores D we Fig. 3. squema los elementos radiadores. 3. DISÑO D LOS LMNTOS ADIADOS l diseño los elementos radiadores se basa en resultados rivados la teoría electromagnética. l talle las ecuaciones diseño los elementos radiadores se scribe en la sección 2 [4], por lo que únicamente se presentan los resultados útiles para este trabajo. n la Tabla 1 se presentan las longitus totales los elementos radiadores, L a, l tipo dipolo media longitud onda que se obtuvieron con el procedimiento scrito en [4]. Los diámetros los elementos radiadores se escogieron lo suficientemente lgados para que la razón longitud / radio fuese gran y el molado con el programa SM2008-M

3 NC [5] arrojase resultados con la mayor exactitud posible, tal como se recomienda en [6]. Cabe mencionar que, para seleccionar los diámetros los elementos radiadores, se consiraron diámetros comerciales tubos aluminio y varillas latón, manera que fuese posible la construcción las antenas. Tabla 1. Características físicas los dipolos. Frecuencia resonancia [MHz] Diámetro D we [mm] Longitud L a [m] Longitud L we [m] 30 9,525 4,801 2, ,525 4,111 2, ,525 3,593 1, ,525 3,191 1, ,525 2,867 1, ,525 2,387 1, ,525 2,043 0, ,7625 1,796 0, ,7625 1,595 0, ,7625 1,435 0, ,7625 1,193 0, ,7625 1,021 0, ,7625 0,893 0, ,175 0,796 0, ,175 0,715 0, ,175 0,571 0, ,175 0,475 0, ,175 0,355 0, ,175 0,283 0, ,175 0,235 0, ,175 0,201 0, ,175 0,175 0, ,175 0,156 0, ,175 0,140 0, ,381 0,141 0,066 Material Tubo aluminio Varilla latón Varilla latón La longitud cada uno los elementos radiadores, L we, se terminó con: L we = (L a W g ) / 2, (3) don L a es la longitud total la antena, L we es la longitud cada uno los elementos radiadores y W g es la separación entre elementos. n la práctica es imposible que la separación W g sea infinitamente pequeña, para nuestro caso la estructura l balún la limita a 9 mm. 4. CONSTUCCIÓN D LOS LMNTOS ADIADOS La construcción los dipolos patrón se realizó en el laboratorio fabricación l CNAM. La realización física éstos requirió que se fabricaran los soportes material dieléctrico, los elementos radiadores y que se icieran algunas modificaciones a conectores coaxiales miniatura tipo OSP. Para los dipolos 30 MHz a 70 MHz no fue necesario construir soportes material dieléctrico, ya que se cuenta con soportes baquelita comerciales (Fig. 4a). Para los dipolos 80 MHz a 160 MHz se construyeron soportes teflón cuya forma se muestra en la Fig. 4b. Los soportes para los dipolos 180 MHz a 400 MHz tienen la misma forma que los mostrados en la Fig. 4b, con la única variante que el diámetro por don entran los elementos radiadores es más pequeño. La forma los soportes para los dipolos comprendidos entre 500 MHz y MHz se muestra en la Fig. 4c. a) Para los elementos 30 MHz a 70 MHz b) Para los elementos 80 MHz a 400 MHz c) Para los elementos 500 MHz a 1000 MHz Fig. 4. Soportes material dieléctrico. Se utilizó teflón para construir los soportes porque era el material dieléctrico con la constante dieléctrica más baja disponible, amás tener una estructura molecular que permite maquinarlo con facilidad. s importante que la constante dieléctrica sea lo más pequeña posible, porque la forma l soporte altera las propiedas electromagnéticas la antena, principalmente cuando las dimensiones los dipolos son comparables con las los soportes [6], tal como suce en las frecuencias 900 MHz y MHz. Los elementos cilíndricos radiadores entonados en las frecuencias comprendidas entre 30 MHz y 70 MHz se construyeron con tubo aluminio con diámetro 3/8 pulgada. Para las frecuencias comprendidas entre 80 MHz y 160 MHz se utilizó varilla latón 3/16 pulgada, para las frecuencias comprendidas entre 180 MHz y 900 MHz se utilizó varilla latón 1/8 pulgada, y para los MHz se utilizó varilla latón 3/32 pulgada. SM2008-M

4 Se utilizó tubo aluminio para las frecuencias más bajas porque es más ligero que la varilla latón, lo cual es un factor crítico en este intervalo frecuencias don las longitus requeridas son muy grans y los elementos tienn a doblarse por su peso. Antes ensamblar los elementos radiadores fue necesario acuar a nuestras necesidas 100 conectores coaxiales miniatura tipo OSP, la cual fue una tarea con cierto grado dificultad dadas sus dimensiones pequeñas. La Fig. 5 muestra las modificaciones a los conectores OSP. Una vez que se construyeron todas las piezas que forman parte la estructura radiación se procedió a ensamblarlas. Para ello, la alineación los elementos radiadores fue una tarea difícil dadas las dimensiones pequeñas los soportes y los conectores OSP. Algunas fotos cómo se ensamblaron las antenas con soporte teflón se presentan en la Fig. 6. Los elementos radiadores para las frecuencias comprendidas entre 30 MHz y 70 MHz no se soldaron a los soportes baquelita (Fig. 4a), sino que en uno sus extremos se les adaptó un perno con rosca 5/16 pulgada para que pudiesen atornillarse en los extremos los soportes. 5. CÁLCULO TÓICO DL Fig. 5. Modificaciones a conectores tipo OSP. l cálculo teórico l los dipolos sarrollados en el CNAM se llevó a cabo para dos ambientes electromagnéticos diferentes, los cuales se scriben en la Tabla 2. Tabla 2. Condiciones l cálculo teórico l. a) [30, 35, 40, 45, 50, 60 y 70] MHz b) [80, 90, 100, 120, 140 y 160] MHz Ambiente cálculo spacio libre Sobre plano tierra Herramienta cálculo Método 1: c..1 la norma CISP [7] Método 2: Programa simulación NC Método 3: Dos antenas y el programa simulación NC Frecuencia aplicación esonancia Otras c) [180, 200, 250, 300 y 400] MHz d) [500, 600, 700, 800, 900 y 1000] MHz Fig. 6. structuras radiación Herramienta Numérica Cálculo La erramienta numérica utilizada para calcular valores es el programa llamado Numerical lectromagnetic Co (NC). n este programa las antenas se molan mediante alambres rectos que se divin en segmentos para propósitos análisis (Fig. 7). La geometría que se introduce en el NC, para los propósitos cálculo valores consiste dos alambres (dipolos) separados una distancia y situados en un espacio libre reflexiones o a cierta altura sobre un plano tierra ial el cual es infinitamente gran, con conductividad infinita y perfectamente plano, según sea el caso (Fig. 8). l alambre que representa la antena transmisora se alimenta en su segmento central con una tensión U = 1 V, y la antena receptora se carga en su segmento central con una SM2008-M

5 impedancia,, cuyo valor pue ser igual con la impedancia entrada l balún que se le conecta a la antena ó igual a 100 Ω. Se utilizaron 31 segmentos para molar las antenas dipolo, valor elegido siguiendo la sugerencia dada en el punto C.2 la norma CISP [3]. Fig. 7. Molado un dipolo a través segmentos en NC. Con la configuración scrita es posible calcular el l dipolo mediante la información salida l simulador. Los parámetros salida interés l simulador son: la impedancia entrada la antena transmisora Z A, la impedancia entrada la antena receptora Z C y la corriente I L que fluye por la impedancia carga. Dipolo en transmisión Fuente tensión Fig. 8. Configuración empleada en el NC para el cálculo valores Cálculo en spacio Libre Interacciones n la condición espacio libre se utilizaron los dos métodos señalados en la Tabla 2. n el primer método se utilizó la c. (1) l apéndice la norma CISP [7], la cual sólo requiere dos parámetros para por calcular el. stos son la impedancia característica en el puerto entrada l balún (Z 0 ) que para nuestro caso es 100 Ω, y la frecuencia ( f ) dada en MHz, c. (4): [db(1/m) ] Plano tierra Dipolo en recepción Impedancia carga ( 2π λ) + 10 log ( 73. Z ) = 20 log = 20*log 10 ( f ) 31.9 (4) n el segundo método (Tabla 2), basado en el programa NC, se recurre a la finición, c. (1), manera que a la erramienta simulación se le instruye para que la antena en transmisión genere un campo eléctrico, y se le pi que a cierta distancia la fuente,, termine la intensidad l campo (Fig. 9a). Posteriormente, en el mismo punto l espacio se coloca el dipolo bajo calibración (DBC) l cual queremos conocer su. Al DBC se le conecta una impedancia carga, generalmente igual con la impedancia entrada l balún, y se le solicita al NC que evalúe la corriente que circula por la carga, I L, con la cual es posible terminar la tensión en las terminales entrada l DBC (Fig. 9b). De manera que se cuenta con toda la información necesaria para calcular el l DBC mediante la c. (5): [ db( 1 m) ] = 20 log 10 ZLIL. (5) Con el propósito asegurar la valiz los resultados los dos métodos cálculo antes scritos, se realizó una comparación lo obtenido por ambos métodos. Para esto, consiramos que y Z 0 fuesen iguales con 100 Ω, y que en el simulador la distancia separación entre antena fuente y DBC fuese = 10 λ. Las dimensiones los dipolos utilizados son las que se indican en la Tabla 1. n la Tabla 3 se observa que los valores obtenidos con ambos métodos son muy similares, las diferencias encontradas no son mayores a 0,13 db. Por lo tanto se consiran validados los resultados entregados por el NC. Ug a) Configuración para evaluar b) Configuración para evaluar V Fig. 9. Simulación en espacio libre Cálculo Sobre un Plano Tierra n la condición sobre un plano tierra se utilizaron los métodos 2 y 3 señalados en la Tabla 2. n el método 2, el l DBC sobre un plano tierra se I L SM2008-M

6 obtuvo con el NC mediante un procedimiento cálculo análogo al l caso sin plano tierra. Primero se genera un campo eléctrico y se termina su intensidad a la distancia la fuente y a una altura sobre el plano (Fig. 10a), spués se coloca el DBC en ese mismo punto y puesto que se conoce la corriente que circula por la carga, se termina la tensión en sus terminales entrada (Fig. 10b), se aplica la c. (5) y se obtiene el. Tabla 3. Comparación en espacio libre. Frecuencia resonancia [MHz] NC = 10 λ Diferencia Norma [db] 30-5,27-5,40 0, ,93-4,06 0, ,77-2,90 0, ,75-1,88 0, ,83-0,97 0, ,75 0,62 0, ,09 1,96 0, ,25 3,12 0, ,27 4,14 0, ,19 5,05 0, ,77 6,64 0, ,11 7,98 0, ,27 9,14 0, ,29 10,16 0, ,21 11,08 0, ,14 13,01 0, ,72 14,60 0, ,22 17,10 0, ,15 19,03 0, ,74 20,62 0, ,07 21,96 0, ,23 23,12 0, ,25 24,14 0, ,16 25,05 0, ,17 25,05 0,11 Por otro lado, para obtener el l DBC con el método las dos antenas (método 3 la Tabla 2) se calculó la atenuación sitio (AS) consirando dos antenas iguales. De esta manera, terminar el ambas antenas a una distancia y a una altura sobre el plano tierra, requiere que en la c. (6) se conozca el valor AS cuando las dos antenas están precisamente separadas una distancia y a una altura sobre el plano tierra, Fig. (11). sta AS se calcula con la ayuda l simulador y el proceso cálculo scrito en [4]. a) Configuración para evaluar b) Configuración para evaluar V Fig. 10. Simulación sobre plano tierra. Plano tierra Plano tierra Plano tierra Fig. 11. Configuración para terminar la AS. 1 ASdB + 20log10 D = + db 10 log10 f M, (6) 2 20log10( 5Z0 2π) 2 2 don D d1 + d2 2d1d 2 cos( k[ d2 d1] ) d1d d d 1 = =, =, d 1 =, y k = 2π λ. d 2 Una vez más, para validar los valores obtenidos con ambos métodos se izo una comparación entre los dos conjuntos resultados. Las dimensiones los dipolos que se utilizaron son las que se presentan en la Tabla 1, la distancia separación entre antenas se consiró 10 m, y las impedancias carga e impedancia característica 100 Ω. n la Tabla 4 se observa que los valores obtenidos con ambos métodos son muy similares, las diferencias encontradas en la mayoría las frecuencias son menores a 0,07 db, salvo en cuatro casos don las diferencias van 0,20 db a 0,36 db. Las diferencias se atribuyen a que la c. (6) no consira los efectos acoplamiento mutuo entre antenas, lo cual sí lo consira el simulador. De I L I L SM2008-M

7 esta manera los resultados entregados por ambos métodos se consiran validados. Tabla 4. Comparación sobre plano ial. Frecuencia resonancia [MHz] Altura [m] NC = 10 m 2 antenas = 10 m Diferencia [db] 30 4,00-4,03-4,07 0, ,00-3,49-3,51 0, ,00-3,56-3,21 0, ,00-2,06-2,37 0, ,00-1,58-1,34 0, ,00 1,30 1,23 0, ,00 2,48 2,44 0, ,00 2,83 2,87 0, ,00 4,07 4,05 0, ,00 5,49 5,45 0, ,00 6,50 6,53 0, ,00 8,44 8,45 0, ,00 8,87 8,90 0, ,00 10,13 10,11 0, ,00 11,51 11,53 0, ,18 13,19 0, ,70 14,70 0, ,91 16,92 0, ,26 19,27 0, ,00 20,73 20,73 0, ,70 22,11 22,10 0, ,50 23,22 23,20 0, ,30 24,36 24,55 0, ,20 25,15 25,20 0,05 6. UTILIDAD D VALOS TOICOS D Los valores estimados teóricamente o por simulación en computadora son utilidad para terminar si los valores medidos los dipolos que materializan el patrón nacional son correctos y qué tan cercanos están los valores iales. Los valores estimados en espacio libre se emplearán para calcular valores AS normalizada requeridos por la norma CISP [7] para la validación COMTS. 7. CONCLUSIONS n este artículo se terminaron y validaron los valores teóricos l patrón nacional en dos ambientes electromagnéticos diferentes. Uno ellos es el espacio libre interacciones, y el otro es sobre un plano tierra conductor que asemeja muco el ambiente electromagnético que se tiene durante las mediciones típicas emisiones radiadas en aplicaciones CM. También se informa la materialización l patrón nacional mediante ternas antenas l tipo dipolo resonante media longitud onda en 24 frecuencias medición típicas para el área CM en el intervalo 30 MHz a MHz. Algunas las antenas sarrolladas se an utilizado para medir la AS durante la validación l CALTS-CNAM con muy buenos resultados [8, 9]. sto nos da la confianza que los valores l patrón nacional que resulten su caracterización serán muy próximos a los valores estimados. FNCIAS [1] ANSI C , I, American National Standard lectromagnetic Compatibility-adiated mission Measurements in lectromagnetic Interference (MI) Control-Calibration of Antennas (9 KHz to 40 GHz), April, (2006). [2] C. A: Balanis, Antenna Teory: Analysis and Design, Harper & ow, New York, (1982). [3] CISP , International lectrotecnical Commission, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and metods Part 1-5, (2003). [4] M. Botello-Pérez, V. Molina-López, I. García- uíz, Desarrollo antenas patrón tipo dipolo resonante media longitud onda para validación l CALTS-CNAM, Simposio Metrología 2006, Querétaro, México, Octubre (2006). Artículo 3-2.pdf disponible en: ttp://cenam.mx/memsimp06/inx.tm [5] G. J. Burke and A. J. Poggio, Numerical lectromagnetic Co (NC), (1985). [6] M. Alexanr, M. Salter, B. Loar, and D. Knigt, Broadband Calculable Dipole eference Antennas, I Transaction on MC, Volume 44, No. 1, February, (2002). [7] CISP , International lectrotecnical Commission, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and metods Part 1-4, (2003). [8] V. Molina-López, I. García-uiz, M. Botello- Pérez, Informe Validación l CALTS- CNAM, Documento Interno l CNAM, Diciembre, (2006). [9] V. Molina-López, M. Botello-Pérez, I. García- uiz, stablisment of te Open Area Antenna Calibration Site at CNAM, CPM 2008 Proceedings; pp , Broomfield, Colorado, June, (2008). SM2008-M