Medidas sobre una sencilla Jaula de Faraday para protección de equipos portátiles ante campos electromagnéticos de alta intensidad

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1 Técnica y divulgación Radioaficionados Medidas sobre una sencilla Jaula de Faraday para protección de equipos portátiles ante campos electromagnéticos de alta intensidad Carlos Mascareñas y Pérez-Iñigo (EA7GWJ), Ana Isabel Vázquez Mejías, Francisco Sánchez de la Campa, José María Valverde y Francisco Abad. Universidad de Cádiz. Abstract En este artículo se presentan una serie de medidas sobre atenuación del blindaje eléctrico realizadas en laboratorio para las frecuencias de VHF y UHF de aficionado así como para las frecuencias del Servicio Móvil Marítimo y Servicio Móvil Aeronáutico. Se busca un sistema barato y rápido de protección de radioteléfonos portátiles para casos de extrema necesidad como puedan ser el Pulso Electromagnético Nuclear y las Tormentas Electromagnéticas. Además se pone en conocimiento de la comunidad científica los altos niveles de radiación emitidos por los radioteléfonos portátiles de VHF y UHF. Introducción El 23 y 24 de mrzo de 2011 se celebró en la Escuela Nacional de Protección Civil, dependiente del Ministerio del Interior, Dirección General de Protección Civil y Emergencias las Jornadas Técnicas sobre Clima Espacial [1] las cuales tuve el honor de ser invitado como ponente para disertar sobre sus efectos sobre el Servicio Móvil Marítimo y Móvil Marítimo por Satélite. Como cualquiera de nosotros, yo había oído hablar de las tormentas solares, pero en ningún caso había estudiado desde este punto de vista el caso y obtenido datos fiables sobre sus efectos, que aunque son de bajísima probabilidad y recurrencia son de un amplio efecto destructivo sobre las tecnologías en las que se asientan las bases de nuestra sociedad. Después de varias entrevistas y cruces de correos electrónicos en los que se trataba el tema de las Tormentas Solares, se nos pedía que investigásemos sobre medidas de protección en los campos en los que se nos consideraba expertos. El fenómeno Utilizando a Pellejero [2] como fuente en el informe Riesgos derivados del Clima Espacial nos dice que los riesgos derivados del clima espacial afectan a los sistemas eléctricos y electrónicos, particularmente a las redes de transporte eléctrico y de combustible, a los satélites y a las telecomunicaciones. En casos de actividad solar excepcional y aunque la probabilidad de ocurrencia sea relativamente baja, el clima espacial podría provocar fallos en cascada que se verían agravados por la interdependenia entre sistemas. El estudio técnico completo [2] se puede encontrar en su página web Medidas para la mitigación de los efectos de las tormentas solares Según el NRC, la estrategia para mitigar los efectos de los riesgos derivados del clima espacial pasa por los siguientes puntos [3]: Detección: identificación de posibles eventos y difusión rápida de la alerta. Defensa: protección de la infraestructura que potencialmente puede ser afectada, ya sea directamente o retrasando o reduciendo los efectos sobre redes y sistemas. Mitigación: minimizar el posible impacto, mediante la introducción de redudancia en los sistemas, reducción de la dependencia entre sistemas y contención del problema entre sistemas interdependientes. Respuesta: preparación de actividades diseñadas para potenciar la respuesta rápida y de emergencia ante los posibles incidentes, como la realización de planes y ejercicios o la disposición de equipamiento. Recuperación: posibilitar la restauración de las actividades comerciales y gubernamentales, de forma rápida y eficiente. Entiendo que como radioaficionados debemos participar en esas medidas durante el tiempo que se prevé que pueda existir una alerta por Tormentas Solares y también debemos ser conscientes que no hay físicamente tiempo para emitir dicha alerta, por lo que deberíamos estar siempre preparados para poder ayudar en caso de necesidad. Si la tormenta solar fuera de una amplitud extrema, como la de 1859, en la que se vio la Aurora Boreal en Madrid y Málaga, posiblemente gran parte del planeta se quedara sin redes de distribución eléctrica y el posible caos en grandes núcleos de población se convertiría en un problema de Defensa Nacional y ahí es donde entramos los radioaficionados, en tener los equipos preparados para transmitir según nos pida la autoridad competente, pero para eso dichos aparatos tienen que poder funcionar y tener energía para hacerlo. En cuanto a la energía sería muy interesante disponer de un Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI) con protección contra transitorios antes de la fuente de alimentación de los equipos de radio, así como un generador eléctrico pequeño a gasolina en cada Radioclub o sede de URE provincial de España, pero ojo que los transitorios que el mismo generador produce pueden fundir un transformador o un semiconductor de un equipo de radio, por lo que también necesitan el SAI con la protección contra transitorios. En cuanto a que funcionen los equipos es a lo que va dirigido este artículo, protegerlos mediante una Jaula de Faraday medianamente buena y muy barata aunque no sea bonita. Introducción teórica La efectividad de un blindaje puede especificarse en términos de atenuación en db de la intensidad de campo. Así, la efectividad S esta definida para campos eléctricos por: S = 20 log (E0/E1) (db) (1) Y para campos magnéticos como: S = 20 log(h0/h1) (db) (2) En las ecuaciones precedentes, E0(H0) es la intensidad de campo que traspasa el blindaje. La efectividad de un blindaje varía con la frecuencia, la geometría del campo, la posición desde donde el campo es medido, con el tipo de campo que esta siendo atenuado, la polarización y con la dirección de la incidencia. Los resultados de cálculo de la efectividad sirven para comparar varios materiales en función de su atenuación. Al incidir una onda electromagnética en una superficie me- 4 - Enero 2012

2 Radioaficionados Técnica y divulgación tálica existen dos efectos. La onda es parcialmente reflejada por la superficie, y la parte transmitida (no reflejada) es atenuada al pasar a través del blindaje. Este último efecto provoca las llamadas perdidas por absorción y son las mismas en los dos tipos de campo: lejano y cercano. Las perdidas por reflexión dependen del tipo de campo y de la impedancia de onda y, por tanto, no son iguales en los campos cercano y lejano. La energía transmitida puede así mismo reflejarse en la superficie del blindaje contraria a la posición del emisor de campo y volverse a reflejar múltiples veces en las dos superficies. La figura 2 muestra el efecto de las radiaciones sobre un blindaje con un agujero. En ella se puede ver como actúan la absorción, la reflexión, la reradiación, rerreflexión o reflexión múltiple y los efectos de bordes y de penetración que provocan interferencias secundarias. El efecto de bordes esta provocado por la energía absorbida por el blindaje al ser canalizada la interferencia por el mismo hacia sus extremos. Esto también ocurre que en los agujeros y aperturas junto al efecto de penetración, actuando como pequeñas antenas retransmisoras. [5] Instrumental. Se ha utilizado el instrumental de medida de campos electromagnéticos del Grupo Señales, Sistemas y Comunicaciones Navales (S2CN)del Departamento de Ciencias y Técnicas de la Navegación de la Universidad de Cádiz, consistente en: Un medidor de Banda Ancha PMM8053A Una sonda de campo eléctrico PMM EP408 de 1 MHz a 40 GHz. Un trípode de aluminio para situar la sonda a 1,5 metros de altura. Una Jaula de Faraday de chapa galvanizada y aluminio en sándwich puesta a tierra.7 Un transceptor ICOM IC-A24E de banda aérea con 5 W. Un transceptor ICOM IC-M33 de banda marina con 1 y 5 W. Un transceptor Kenwood TH-F7 en 145 y 435 MHz con potencias de EL 50 mw, L 0,5 W y H 5W en VHF y en UHF. Un rollo de papel de aluminio de cocina. Un ejemplar del periódico El Diario de Cádiz Un conjunto de bolsas de plástico. Un rollo de celofán adhesivo transparente Scotech. Tijeras y regla. Las antenas de los transceptores son las de dotación de serie. Las pruebas se realizaron en dos fases: La primera en la Estación Costera Universidad de Cádizradio y la segunda en la Jaula de Faraday del Grupo Señales, Sistemas y Comunicaciones Navales de la Universidad de Cádiz. Figura 3. Sonda de Campo Eléctrico PMM EP 408 de 1 MHz a 40 GHz. Inconvenientes surgidos El alto grado de tecnificación que presenta el Campus del Río San Pedro (Puerto Real, Cádiz) entre los que se encuentra una red de redes WI-FI y una red WIMAX, así como radares de 3 y 9 GHz hace que el nivel de ruido de fondo raye los 1V/m, por lo que no será posible bajar de dicha medida a la hora de realizar los cálculos. También hemos de mencionar la gran cantidad de teléfonos móviles que existen hoy en día Aún utilizando la Jaula de Faraday del Grupo Señales, Sistemas y Comunicaciones Navales, se aprecia que entra ruido dentro de ella. No se dispone de placas de ferrita ni de conos antireflexión. Figura 2. La atenuación de campos electromagnéticos tiene tres mecanismos: absorción de energía electromagnética por el blindaje, reflexión de energía electromagnética en la superficie externa del blindaje y la rerreflexión de la energía electromagnética que penetra en el blindaje, vibra en su interior y se refleja en su superficie externa frontal al emisor de campo electromagnético, pudiendo provocar el efecto de bordes si llega a salir por el extremo del blindaje. Dado que no tenemos por qué disponer de una caja gruesa de metal especial para utilizarla como una jaula de Faraday en casa (aunque una olla exprés también serviría), vamos a utilizar hojas de papel de aluminio simples e iremos formando varias capas de aluminio alrededor de la sonda que utilizaremos para medir la atenuación del mismo. Figuras 4 y 5. Medidor portátil de Banda Ancha PMM 8053A y Calibrador 8053 CAL Figura 6. Jaula del Faraday del Grupo Señales, Sistemas y Comunicaciones Navales. Ruidos en la Estación Universidad de Cádizradio En la siguiente gráfica se aprecia el nivel de ruido pulsado dentro de la Estación Universidad de Cádizradio, el cual mantiene sus características durante todo el ensayo. Se comienza midiendo el ruido ambiente durante 6 minu- Enero

3 Técnica y divulgación Radioaficionados llevar la señal recibida al nivel del ruido ambiente en la estación de radio. Figura 7. Resultado de la medición de campos electromagnéticos en banda ancha en la Estación del CASEM. tos y a hacer el experimento con los transceptores de radio, para posteriormente cubrir el sensor de 40 GHz con una capa de papel de periódico y volver a medir el ruido durante seis minutos y los valores máximo y rms durante 20 segundos. Se sigue el mismo procedimiento rodeando el sensor con una capa de papel de aluminio, excitando el sensor con los transceptores durante otros veinte segundos y así hasta una tercera capa de aluminio, de la siguiente forma: Medición del ruido sin cobertura 6 min. Medición del ruido con cobertura de papel de periódico 6 min. Medición del ruido con cobertura de papel de aluminio 6 min. Medición del ruido con cobertura de dos capas papel de periódico 6 min. Medición del ruido con cobertura de dos capas de papel de aluminio 6 min. Medición del ruido con cobertura de tres capas de papel de periódico y tres capas de aluminio 6 min. Medición del ruido con cobertura de bolsa de aluminio de preparado infantil 6 min. Los niveles de ruido recibidos, si los comparamos unos con otros, aumentan cuando la última capa de recubrimiento es el papel de periódico, mientras que disminuyen si se trata de papel de aluminio o de bolsa de preparado infantil nutricional. Los resultados obtenidos radiando sólo la portadora, es Figura 9. Primera capa de periódico Figura 10. Primera capa de aluminio. Figura 11. Segunda capa de aluminio. Figura 8. Niveles de ruido ambiente dentro de la Estación Universidad de Cádizradio. decir, en ausencia de modulación son los que se aprecian en la Tabla 2. Los niveles de atenuación se presentan en las tablas con el fin de llevar al lector hacia una mayor comprensión, pero la conclusión que se obtiene es que el nivel de atenuación que produce el papel de aluminio es lo suficientemente grande como para Figura 12. Tercera capa de aluminio. Como regla general se puede concluir que, para el nivel de ruido que hemos medido, la atenuación es independiente del número de capas de aluminio que se utilicen para blindar el sensor. 6 - Enero 2012

4 Radioaficionados Técnica y divulgación Tabla 1. TSH pruebas de atenuacion del papel de aluminio a distintas frecuencias VHF 128 MHz VHF 156 1W VHF W CAPAS MAX RMS MIN CAPAS MAX RMS MIN CAPAS MAX RMS MIN NADA 2,5 0,73 0 NADA 7,1 1,1 0 NADA 14,71 2,54 0 PAPEL 1,15 0,95 0 PAPEL 3,95 1,25 0 PAPEL 5,14 1,07 0 AL 1 0,81 0,7 0 AL 1 0,83 0,67 0 AL 1 0,8 0,78 0 PAPEL 0,84 0,74 0 PAPEL 0,83 0,75 0 PAPEL 0,81 0,26 0 AL 2 0,82 0,73 0 AL 2 0,87 0,71 0 AL 2 0,83 0,69 0 AL 3 0,8 0,66 0 AL 3 0,82 0,17 0 AL 3 0,8 0,69 0 VHF 145 EL VHF 145 L VHF 145 H CAPAS MAX RMS MIN CAPAS MAX RMS MIN CAPAS MAX RMS MIN NADA 2,7 0,52 0 NADA 5,41 1,16 0 NADA 8,33 2,04 0 PAPEL 1,61 0,7 0 PAPEL 2,99 0,85 0 PAPEL 4,67 1,12 0 AL 1 0,81 0,63 0 AL 1 0,82 0,63 0 AL 1 0,82 0,63 0 PAPEL 0,81 0,18 0 PAPEL 0,81 0,7 0 PAPEL 0,8 0,71 0 AL 2 0,8 0,67 0 AL 2 0,8 0,7 0 AL 2 0,8 0,69 0 AL 3 0,82 0,7 0 AL 3 0,82 0,66 0 AL 3 0,8 0,69 0 AL 5 0,84 0,13 0 AL 5 0,84 0,67 0 AL 5 0,84 0,26 0 UHF 435 EL UHF 435 L UHF 435 L CAPAS MAX RMS MIN CAPAS MAX RMS MIN CAPAS MAX RMS MIN NADA 1,31 0,73 0 NADA 2,86 0,61 0 NADA 9,82 1,7 0 PAPEL 1,79 0,75 0 PAPEL 3,89 0,95 0 PAPEL 14,22 2,81 0 AL 1 0,81 0,69 0 AL 1 0,8 0,65 0 AL 1 0,96 0,71 0 PAPEL 0,8 0,65 0 PAPEL 0,82 0,7 0 PAPEL 1,03 0,22 0 AL 2 0,81 0,62 0 AL 2 0,81 0,74 0 AL 2 1,02 0,73 0 AL 3 0,8 0,71 0 AL 3 0,81 0,74 0 AL 3 0,87 0,69 0 AL 5 0,81 0,71 0 AL 5 0,83 0,73 0 AL 5 0,89 0,72 0 Si nos fijamos en la fórmula 1 y la aplicamos directamente en Excel nos da la tabla de atenuaciones de tensión, trabajando en campo cercano, que se aprecia en la Tabla 2. Como se puede colegir, después de un análisis somero, se obtienen atenuaciones de 20 db en todas las bandas de VHF y en la de 435 de UHF, y suponemos que si mantiene como medida mínima el nivel de ruido cuando el sensor se encuentra cubierto por el papel de aluminio, la atenuación será mayor cuanto mayor sea la señal de entrada. Atenuación del papel de aluminio en db VHF 128 MHz VHF 156 L VHF 156 H CAPAS MAX RMS CAPAS MAX RMS CAPAS MAX RMS NADA 2,5 0,73 NADA 7,1 1,1 NADA 14,71 2,54 AL 1 0,81 0,7 AL 1 0,83 0,67 AL 1 0,8 0,78 Atenuación -9,79-0,36 Atenuación - 18,64-4,31 Atenuación -25,29-10,25 VHF 145 EL VHF 145 L VHF 145 H CAPAS MAX RMS CAPAS MAX RMS CAPAS MAX RMS NADA 2,7 0,52 NADA 5,41 1,16 NADA 8,33 2,04 AL 1 0,81 0,63 AL 1 0,82 0,63 AL 1 0,82 0,63 Atenuación -10,46 1,67 Atenuación -16,39-5,30 Atenuación -20,14-10,21 UHF 435 EL UHF 435 L UHF 435 H CAPAS MAX RMS CAPAS MAX RMS CAPAS MAX RMS NADA 1,31 0,73 NADA 2,86 0,61 NADA 9,82 1,7 AL 1 0,81 0,69 AL 1 0,8 0,65 AL 1 0,96 0,71 Atenuación -4,18-0,49 Atenuación -11,07 0,55 Atenuación -20,20-7,58 Tabla 2. Atenuaciones del Papel de Aluminio de alimentación. Enero

5 Técnica y divulgación Radioaficionados Otra de las cosas muy importantes que se puede apreciar en la utilización de los radioteléfonos portátiles es que a un (1) metro de distancia se reciben valores de tensión bastante preocupantes para el radiooperador, sobre todo si éste no utiliza un micrófono de mano o una antena ubicada en el techo metálico del vehículo. Ruidos en la Jaula de Faraday En la siguiente gráfica se aprecia el nivel de ruido pulsado dentro de la Jaula de Faraday del Grupo Señales, Sistemas y Comunicaciones Navales, el cual mantiene sus características durante todo el ensayo. Primero se realiza una medida ambiental con el sensor de 1MHz a 40 GHz desprovisto de ningún tipo de protección radioeléctrica. 6 minutos medida del ruido ambiente max rms jaula puerta abierta 1,14 0,7 jaula puerta cerrada 1,15 0,68 Dentro jaula sin cobertura 2,46 0,73 dentro jaula con 1 capa aluminio 1,15 0,7 dentro jaula con 2 capas aluminio 1,15 0,73 Tabla 3. Medición del ruido ambiente durante 6 minutos Posteriormente se procede a cubrir la sonda con una bolsa de plástico semitransparente y a la realización de las medidas con una y dos hojas de aluminio doméstico intercalando siempre una bolsa de plástico para conseguir aislarlas entre sí. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 4 y las atenuaciones calculadas en la tabla 5, siempre para los valores máximos medidos y a un metro de distancia del transceptor. Medidas en jaula de faraday de la UCA utilizando bolsas de plástico en vez de papeles de periódico. 128 MHz 156 MHz low 156 MHz High max rms max rms max rms nada 11,65 2,23 nada 3,9 1,06 nada 6,18 1,12 1 hoja aluminio 0,84 0,25 1 hoja aluminio 0,7 0,81 1 hoja aluminio 0,81 0,76 2 hojas aluminio 0,85 0,69 2 hojas aluminio 0,69 0,81 2 hojas aluminio 0,81 0, extra low 145 low 145 high max rms max rms max rms nada 2,27 1,02 nada 3,85 1,14 nada 6,43 1,5 1 hoja aluminio 0,83 0,75 1 hoja aluminio 0,81 0,72 1 hoja aluminio 0,82 0,75 2 hojas aluminio 0,8 0,66 2 hojas aluminio 0,94 0,73 2 hojas aluminio 0,82 0, extra low 435 low 435 high max rms max rms max rms nada 4,39 1,06 nada 10,52 2,42 nada 31,51 16,91 1 hoja aluminio 0,8 0,72 1 hoja aluminio 0,82 0,63 1 hoja aluminio 1,19 0,31 2 hojas aluminio 0,8 0,68 2 hojas aluminio 0,83 0,78 2 hojas aluminio 1,14 0,66 Tabla 4. Resultados de las mediciones utilizando los transceptores de radio mencionados en el artículo y una emisión no modulada de 20 segundos. Atenuaciones db 128 MHz -22, Low -14, High -17, Extra Low -8, Low -13, High -17, Extra low -14, Low -22, High -28,46 Tabla 5. Cálculo de la Atenuación de la primera capa de Papel de Aluminio. Figura 13. Radioteléfonos portátiles utilizados durante el experimento. 8 - Enero 2012

6 Radioaficionados Técnica y divulgación Conclusiones El nivel de radiación de los radioteléfonos portátiles es demasiado alto para poder utilizarse cerca de la cabeza. El papel de Aluminio utilizado para la alimentación es una barrera eficaz para combatir las emisiones electromagnéticas. El nivel de atenuación medido, mediante este método de compromiso, es independiente del número de capas de papel de aluminio empleadas. Al parecer el nivel de ruido aumenta al envolver el sensor con papel de periódico, lo cual no debiera pasar excepto que la tinta sea reflector del ruido radioeléctrico. Envolver los equipos de radiocomunicaciones en sobres de papel de aluminio o paquetes forrados por aluminio puede ayudar a combatir los efectos de las tormentas geomagnéticas que se esperan entre 2011 y 2013, siendo un sistema bueno y barato al alcance de cualquier persona. Si además se quiere una Jaula de Faraday buena, bonita y barata, se puede recurrir a las cajas metálicas de bombones y galletas danesas o incluso latas de aceite de oliva puestas a tierra. Bibliografía [1] [2] PELLEJERO, I. Riesgos derivados del Clima Espacial. [3] NRCNA. Severe Space Weather Events. Understanding Societal and Economic Impacts. A workshop report. Space Studies Board. Division on Engineering and Physical Sciences. National Research Council of the National Academies, EE.UU., [4] COL. ZETTLEMOYER, M. (Director of Weather, Headquarters, United States Air Force) en el 2010 Space Weather Enterprise Forum. Washington, 8 de junio de [5] trabajos_01_02/blindajes_apantallamientos/la%20 efectividad%20de%20los%20blindajes.htm Enero