351 COMUNICACIONES PROBLEMAS DE COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA EN BUQUES MILITARES LAS HERRAMIENTAS DE SIMULACION PREVIENEN DIFICULTADES Por Norbert Linge Cuando mayor sea la cantidad de líneas de comunicaciones empleadas en los buques militares, más alto el riesgo de interferencia mutua. Para prevenir que mas tarde ocurran sorpresas desagradables, Rohde&Schwarz proporciona soluciones a los ingenieros navales en las primeras fases del diseño, mediante herramientas de simulación de compatibilidad electromagnética, o EMC (Electromagnetic Compability), ofreciendo una gama adicional de servicios de integración de los sistemas. os buques militares no están exentos de la creciente necesidad de comunicaciones. Requieren una cantidad siempre mayor de líneas de comunicaciones y, en consecuencia, más antenas. Como resultado, en barcos grandes generalmente hay que integrar más de veinte antenas en el rango de frecuencias de 100 khz a 1 GHz. Dado que el espacio en la cubierta superior es limitado y compartido con muchos otros sistemas, eventuales problemas de compatibilidad electromagnética son inevitables. Aún teniendo el mayor cuidado posible en la configuración de las ubicaciones para las antenas en la cubierta superior, la proximidad física de las mismas, hace imposible prevenir las desventajas importantes en el rendimiento de las líneas individuales de radio, cuando éstas se utilizan simultáneamente. Numerosos efectos indeseados pueden aparecer, desde la dismi nución de sensibilidad de los receptores hasta la reducción de potencia de salida de los transmisores. El empleo de herramientas de simulación permite evaluar la compatibilidad electromagnética de un sistema de comunicaciones antes de implementarlo. Esta medida de EMC está fundada en un modelo 3D que describe con precisión la estructura completa del buque. El nivel de detalle que debe ser seleccionado para el modelo dependerá del rango de frecuencia que quiere examinarse. Sin embargo, el modelo sólo describe estructuras que son relevantes para la simulación (Fig. 1). Durante la simulación, los objetivos principales se dirigen a los siguientes asuntos: aislamiento de las antenas
352 Revista de Publicaciones Navales Fig. 1: Ejemplo de configuración de antenas CHF/UHF en un mástil de buque. entre sí; comportamiento en campo lejano y cercano de éstas o sus sistemas; y optimización de los sistemas existentes, tales como los de banda ancha. Objetivo: aislamiento de antena y diagramas de radiación Uno de los criterios cruciales para evaluar el diseño de la cubierta superior y la ubicación de antena, es el aislamiento de la misma. Para predecir el comportamiento del sistema de comunicaciones de la forma más precisa, Rohde&Schwarz toma en consideración todos los componentes que se encuentran en el enlace de transmisión. La información de las redes de acoplo también se incluye en los cálculos. Todos los datos reunidos se emplean, entonces, para generar matrices desacopladas para todas las antenas en estudio. De esta forma, la ubicación ideal de cada una puede determinarse en pasos iterativos de la planificación. Para optimizar el diseño de la cubierta superior, también es necesario examinar los diagramas de radiación, ya que éste es el único camino para evaluar si una posición de antena satisface los requerimientos del sistema de comunicaciones, influenciados por la estructura del buque. Estos análisis no se limitan a los diagramas de radiación de las antenas de transmisión, sino que también permiten seleccionar la ubicación de las antenas de recepción. La herramienta de simulación puede determinar la posición ideal en unos pocos pasos (Fig. 2). Los cálculos pueden cubrir el rango completo de frecuencias para uso terrestre. Además de las propiedades específicas de transmisión y recepción descritas para el sistema de comunicaciones, la interacción electromagnética con otros sensores y sistemas de contramedidas deben tomarse en cuenta. Por otro lado, las altas densidades de potencia e intensidades de campo en el área alrededor de las
Problemas de... 353 Fig. 2: La herramienta de simulación puede determinar la posición ideal para cada antena. antenas de transmisión debe considerase al analizar los peligros potenciales para la salud y seguridad, así como para prevenir explosiones. Para lograr esto, se utilizan herramientas especiales basadas en el servidor. Estas herramientas permiten la simulación precisa del entorno actual a bordo, y proporcionan, así, una base para efectuar una predicción de precisión suficiente. Valores críticos, especialmente cuando se trata de asuntos relacionados con la salud y seguridad, deben ser comprobados posteriormente a bordo. Otro objetivo de estos análisis es apoyar a los ingenieros navales en sus esfuerzos para optimizar el diseño de la cubierta superior en cuanto a los sistemas de antena y el entorno sobre el cual ellas interactúan. Estos esfuerzos siempre van enfocados a asegurar un alto nivel de eficiencia de los sistemas de comunicaciones. Especialmente en programas de reequipamiento, que frecuentemente consideran la integración de líneas adicionales de radio, es necesario realizar exámenes EMC detallados o análisis de viabilidad. Simulación por ordenador, indispensable en el rango de onda corta En el rango de onda corta, estos análisis no pueden estar basados meramente en estimaciones y experiencia o en fórmulas simples. Para lograr el nivel alto de precisión requerido en este rango de frecuencias, es necesario seleccionar muestras en intervalos relativamente cercanos comparados con la estructura del navío. Para esta tarea, la simulación por ordenador es una ayuda indispensable para examinar las intensidades de campo y densidades de potencia
354 Revista de Publicaciones Navales Fig. 3:Simulación por ordenador para examinar las intensidades de campo y densidad de potencia en cubierta. que pueden esperarse en el campo cercano de la antena en cualquier punto de la cubierta superior (Fig. 3). De este modo, es posible tener unas conclusiones claras de una forma anticipada en cuanto a situaciones potencialmente críticas y así tomar las medidas adecuadas para su resolución. Una vez completados los cálculos, estarán disponibles los resultados, utilizando la técnica de integración finita o mediante el método de momentos. La necesidad de tener muchas líneas de radio simultáneas, combinado con las restricciones espaciales que limitan el uso de antenas adicionales en la cubierta superior, hacen preciso nuevos conceptos en equipamiento. Por este motivo, sistemas de banda ancha de HF (tales como el de transmisión/recepción R&S XB4190/ XK2900) están siendo cada vez más usados para el rango de onda corta (Fig. 4), necesitando la integración y optimización de antenas de banda ancha de HF. Tales sistemas permiten operar numerosas líneas de radio sobre una única antena de transmisión. Requieren un diseño específico y su impedancia de entrada sobre todo el rango de frecuencias debe ser evaluada. La adaptación de impedancia de banda ancha de estas antenas a bordo, utilizando una unidad de sintonía de antena ATU (Antenne Tunning Unit) correspondiente, debe simularse y optimizarse durante la fase de diseño. Esta acción temprana es la única forma para lograr mejoras mediante la modificación del diseño de la cubierta superior o ubicación de antena en caso necesario. Al incluir los diagramas de radiación y la ganancia como parámetros de diseño esenciales en la simulación, estas características pueden ser optimizadas para satisfacer los requerimientos del cliente. Para estos proyectos de diseño, Rohde&Schwarz colabora
Problemas de... 355 Fig. 4: Sistema de banda ancha de transmisión/recepción de HF de Rohde&Schwarz. estrechamente con los departamentos de ingeniería naval en los astilleros y con los otros suministradores de los sistemas a bordo. El objetivo es analizar los requerimientos específicos, usar los resultados para desarrollar la solución ideal para el diente en el entorno específico y entonces implementarla. No sólo tiene que cumplir con los requerimientos técnicos, sino también con las consideraciones operacionales. Este es el único camino para asegurar el desarrollo de un concepto operacional cohesivo con un suficiente número de líneas de comunicaciones. Después de la implementación, los resultados de la simulación son comprobados regularmente por medio de procesos de prueba y medida, y se determinan factores de corrección. Ello hace posible mejorar continuamente los resultados de la simulación. Los valores límite que son aplicados generalmente cumplen con los estándares militares habituales, pero también pueden ser especificados individualmente. La operación de todos los sensores y sistemas de contramedidas a bordo de los buques militares, de forma simultánea y con una mínima interferencia, constituye un desafío extraordinario. Rohde&Schwarz, fabricante líder e integrador de sistemas de comunicaciones navales, se centra particularmente en la operación simultánea de los sistemas de comunicaciones, en su interacción entre sí y con los otros sistemas a bordo. Como parte de la integración de sistemas de comunicaciones navales, Rohde& Schwarz ofrece servicios esenciales para las medidas específicas de EMC: estudios de viabilidad, ubicación y estudios de antena, cálculos de presupuesto/cobertura del enlace (área de propagación), estudios adicionales, tales como conceptos de seguridad, y verificación de los resultados a bordo. DE FUERZAS DE DEFENSA y SEGURIDAD, Nº 386/2010 * * *