Paradigmas Tecnológicos e Estrategias de Competencia en las Actividades de Tecnología de Información
Luis Rodríguez Quiroz, Eduardo Páez y Ciro Tremola
El laboratorio estará constituido por tres cámara de Faraday: una cámara para evaluar compatibilidad electromagnética (cámara semianecoica), una cámara para deteminar parámetros de antenas, diagramas de radiación 2D y 3D y evaluación de equipos móviles de acuerdo al estándar CTIA (cámara anecoica) y una cámara de Faraday para el cuarto de control, captura y procesamiento de datos. El esquema funcional del laboratorio y sus actividades principales se muestra en la figura 4:
Figura 4. Esquema funcional del laboratorio de Compatibilidad Electromagnética y Antenas del Instituto de Ingeniería.
La cámara semianecoica operará en un rango de frecuencia desde 26 MHz hasta 40 GHz, con dimensiones de 8,53 m x 6,71 m x 5,49 m. Se ha diseñado para garantizar un cilindro de zona quieta de dimensiones 2 m de diámetro y 2 m de altura a una distancia de medición de 3 m del sitio de transmisión. Para la certificación del laboratorio se ha garantizado un NSA de ±3,5 dB en el rango de 30 MHz a 18 GHz y de ± 4,0 dB en el rango de 18 GHz a 40 GHz.
Las paredes de esta cámara están revestidas de un material conductor (aleación con cobre) con el espesor necesario para asegurar un apantallamiento siguiendo las siguientes especificaciones:
La cámara tendrá un piso de vinyl antiestático de 3 mm y un plano de tierra. Los absorbentes adquiridos garantizarán unos niveles de uniformidad (figura 5) de campo de acuerdo a la norma IEC 61000-4-3.
Figura 5. Absorbentes piramidales de poliuterano.
Proporcionada por ETS-Lindgren Para evitar las reflexiones de campos dentro de la cámara, las paredes estarán recubiertas con materiales absorbentes de energía electromagnética, entre estos materiales tenemos las láminas de ferrita y las pirámides de poliuretano. Cada una de ellas presenta su mejor desempeño en un rango de frecuencias diferente, para frecuencias de hasta 1 GHz las láminas de ferrita son las apropiadas, pero a frecuencias superiores las pirámides de poliuretano presentan mejor absorción de energía electromagnética.
En el laboratorio en cuestión, se utilizarán absorbentes compuestos de láminas de ferrita y absorbentes piramidales de poliuretano (figura 6) con una altura de 60 cm para ofrecer un nivel de reflectividad menor a -20 dB en el rango de 30 MHz hasta 18 GHz.
Figura 6. Uniformidad requerida según el rango de frecuencia y distancia de medición. Tomada de la norma IEC 61000-4-3
En este laboratorio se podrá evaluar la compatibilidad electromagnética (o inmunidad) de sistemas eléctricos y/o electrónicos, en cualquiera de sus tres maneras: radiada, conducida e inducida.
1. Susceptibilidad a Descargas Electrostáticas
Todos los materiales pueden cargarse eléctricamente al estar en contacto con otros cuerpos (triboelectricidad). Estas cargas pueden alcanzar hasta los 35 kV dependiendo de la humedad relativa del medio. El cuerpo humano puede acumular cargas de hasta 15 kV. Cuando la persona cargada toca cualquier equipo, se puede producir una descarga en la que las partes electrónicas del objeto pueden verse afectadas en mayor o menor medida de acuerdo a cómo estén diseñadas. Esta es la razón por la cual deben realizarse ensayos de este tipo a los prototipos o productos finales para conocer su robustez frente a este fenómeno. En el laboratorio se pueden realizar simulaciones de ESD (del inglés, Electro Static Discharge) hasta 16,5 KV por contacto directo o aéreo a través de la punta de descarga de un generador especial. Del mismo modo se pueden simular los efectos de descargas electrostáticas en objetos cercanos a través de un plano conductor vertical y otro horizontal. Todos estos ensayos están en conformidad con la norma IEC 61000-4-2 (Schmitt, 2002).
2. Susceptibilidad Conducida
Un tipo de interferencia conducida muy común es el producido por las ráfagas de tensión causadas por interruptores de iluminación o interrupción de circuitos con carga inductiva como motores o tableros de control con relés. Estas conmutaciones producen transitorios en forma de ráfagas conocidos como EFT (Electric Fast Transient) que pueden causar fallas en la operación de los equipos que estén conectados a la red de alimentación eléctrica. Este tipo de ensayos se realiza con un simulador de ráfagas características y colocando un acoplador capacitivo en la línea de datos o de alimentación como está especificado en la norma IEC 61000-4-4 [8].
Una forma de interferencia conducida es la generada por inducción de campos RF en los cables de datos y/o alimentación. Los cables de acuerdo a su longitud y exposición pudieran convertirse en receptores eficientes a determinadas frecuencias, estas tensiones inducidas se conducen al dispositivo y si no se dispone de un filtrado adecuado pueden causar fallas en la operación del mismo. Para este caso se realizan ensayos con acoplamiento capacitivo o inductivo sobre los cables y en las situaciones que no se disponga de un acoplador adecuado al tipo de cable se introduce la perturbación por contacto directo u óhmico. La perturbación introducida es una onda modulada en amplitud al 80% con niveles más severos que otros en función del ambiente típico en el que operará el sistema o dispositivo. El detalle del procedimiento y la configuración del ensayo están especificados en la norma IEC 61000-4-6 [8].
Otro tipo de fenómeno que también será evaluado es el producido por ondas de sobretensión generadas por la conmutación de circuitos con alta circulación de corriente y efectos secundarios de rayos eléctricos. Para estas situaciones se dispone de un simulador de este tipo de ondas que luego son acopladas capacitivamente a la línea de datos y/o de alimentación tal como está especificado en la norma IEC 61000-4-5 [10].
3. Susceptibilidad Inducida
Cuando se está cerca de plantas eléctricas, ambientes industriales o subestaciones de media/alta tensión se pueden producir pulsos magnéticos debido a los dispositivos de conmutación y a las altas corrientes que pueden circular en dichas líneas. Estos pulsos magnéticos pueden afectar el adecuado funcionamiento de los equipos electrónicos o de control. Es por ello que se hace una simulación de estos pulsos magnéticos con una antena tipo loop debidamente calibrada y haciendo pasar una corriente eléctrica. El equipo bajo prueba se coloca inmerso en el campo magnético generado por esta antena, razón por la cual este método se conoce como método de inmersión. Este tipo de ensayos está especificado en la norma IEC 61000-4-9 [12].
Un tipo de perturbación similar y que el laboratorio estará en capacidad de medir es el campo magnético generado por las líneas de energía eléctrica residencial y comercial. En este caso el campo magnético no es generado por conmutación de circuitos sino por las corrientes de falla en la red de alimentación eléctrica a frecuencias de 50 Hz ó 60 Hz. Los detalles de estos ensayos están estipulados en la norma IEC 61000-4-8 [12].
4. Susceptibilidad radiada
Es bien conocido que los dispositivos electrónicos interactúan en mayor o menor medida frente a energía electromagnética radiada. Cuando incide radiación electromagnética sobre cualquier superficie conductora y de acuerdo a su longitud, se inducen tensiones que pueden afectar el comportamiento del dispositivo o sistema, de este modo es muy importante evaluar el nivel de inmunidad de los productos frente a perturbaciones radiadas. En la norma IEC 61000-4-3 [10] se indica el procedimiento y los niveles de los ensayos frente a campos de radio frecuencia.
Esta cámara permitirá determinar parámetros de antenas, evaluar dispositivos móviles de acuerdo al estándar CTIA (Cellular Telecommunications & Internet Association) [14] y ensayos sobre equipos WI-FI.
Esta cámara estará certificada en el rango de frecuencias desde 700 MHz hasta 6 GHz con unas dimensiones de 7,41 m x 3,65 m x 3,65 m. Las paredes conductoras se diseñaron para proporcionar un nivel de apantallamiento similar al de la cámara semianecoica, adicionalmente todas las paredes y el piso serán recubiertas con el absorbente necesario para asegurar el nivel de reflectividad y rizado del campo en la zona quieta tal como se pide en el estándar CTIA para ensayos sobre dispositivos móviles de mano. La zona quieta es de 60 cm hasta 1,8 GHz, luego se reduce a 50 cm para frecuencias hasta 2,5 GHz y finalmente es de 30 cm hasta la frecuencia final de certificación de 6 GHz. Como se mencionó al principio la certificación CTIA convierte a esta cámara en única en su género en toda latinoamérica.
Los absorbentes utilizados son de diferentes tamaños, para la pared del sitio de recepción se usarán pirámides de 24 pulgadas de altura, para la pared del sitio de transmisión se usarán pirámides de 12 pulgadas de altura, en las paredes laterales y piso se usarán una combinación de estas dos anteriores y cuñas absorbentes de 24 pulgadas de altura. Estos materiales ofrecen un nivel de reflectividad inferior a los 3,5 dB. En esta cámara se podrán determinar parámetros de antenas como la impedancia, la eficiencia, la ganancia así como también diagramas de radiación en dos y tres dimensiones. Para ello se dispone de un sistema de adquisición de datos integrado con la instrumentación necesaria cuyos niveles de incertidumbre están en conformidad con los exigidos por el protocolo CTIA. Este protocolo da pautas para los ensayos y requerimientos de niveles de potencia radiada y desempeño de receptores para esquemas de modulación y de multiplexación como CDMA, TDMA, GSM. También da especificaciones y requerimientos para el ambiente de ensayos y medición de incertidumbre de los procedimientos.
Una vez expuesto los aspectos técnicos relacionados con las características de diseño, del equipamiento y funcionalidad del laboratorio, es preciso describir las metas del mismo a mediano y largo plazo:
La puesta en marcha del laboratorio ampliará el campo de acción de la FII en las áreas de metrología de magnitudes eléctricas y la realización de ensayos bajo norma (ingeniería de conformidad), al del sector telecomunicaciones, adentrándose en la investigación y desarrollo en el campo de radiofrecuencia, emisiones e inmunidad electromagnéticas, lo cual permitirá: