Evaluación de absorbedores de ondas electromagnéticas con diseño planar multicapas fabricados con material vegetal y mineral

Resumen La demanda de los equipos eléctricos y electrónicos que ha generado el adelanto tecnológico presenta un inconveniente, irradiar de forma intencional o no cantidades variables de energía electromagnética alrededor de su espacio circundante. Lo que conlleva a que la interacción de estos equipos produzca interferencia electromagnética, cuyas consecuencias son: mal funcionamiento, perturbaciones en las comunicaciones y riesgo para la salud. La verdadera razón es para utilizarlos en recintos cerrados para ensayos de compatibilidad electromagnética, como sustituto a los importados, lo que implica una previa evaluación de sus propiedades y un diseño que considere su forma, estructura, coeficiente de reflexión y atenuación. En este trabajo se tratará de construir absorbedores de señal que trabajará con un rango de 30 MHz a 5 GHz del espectro radioeléctrico a través de un material absorbente de prueba de ondas electromagnéticas que consta de carbón mineral , madera (cañaguate) (Tecoma spectabilis) ,cactus(Stenocereus griseus) y poliuretano de geometría planar. Las ecuaciones pueden ser resueltas explícitamente para algunos casos y configuraciones particulares (por ejemplo, incidencia normal). El absorbedor se construyó por capas con un espesor homogéneo para cada mezcla, entre el poliuretano con cactus, cañaguate, y carbón mineral, luego se evaluó su coeficiente de atenuación en el laboratorio de comunicaciones de la facultad de ingeniería de la universidad del Zulia. Los resultados obtenidos fueron óptimos, dado que cada capa fue evaluada con la mayor rigurosidad posible lo cual indica que se pueden construir absorbedores de ondas electromagnéticas con material del medio a bajo costo recomendando su uso. Palabras clave: difracción, reflexión, atenuación, ondas electromagnéticas, antenas, cámara, absorbente. 1. introducción El estudio de los fenómenos de Interferencia Electromagnética - IEM y la solución a los problemas que ésta ocasiona, han adquirido una notable relevancia en el desarrollo y desempeño de los modernos dispositivos, equipos y sistemas eléctricos, electrónicos y de telecomunicaciones. En el ámbito mundial, el entorno en el que interactúan los equipos se hace cada día más complejo debido a dos factores principales: la creciente vulnerabilidad de estos dispositivos y equipos y, al mismo tiempo, su capacidad de interferir el funcionamiento de otro equipo. La Interferencia Electromagnética - IEM se define, entonces, como cualquier perturbación electromagnética que se manifiesta en la degradación de la operación, el mal funcionamiento o la falla de un dispositivo, equipo o sistema eléctrico, electrónico o de telecomunicaciones. Aunque, tradicionalmente, el concepto ha sido asociado con fenómenos de radiación o conducción de campos electromagnéticos, este tiene una acepción más amplia que incluye fenómenos como armónicos, transitorios, rayos, descargas electrostáticas, ruido, fluctuaciones de tensión, etc. El problema de Interferencia Electromagnética - IEM no es exclusivo de los equipos y dispositivos electrónicos aeronáuticos, ni es de reciente aparición. Los primeros problemas de IEM se iniciaron hacia 1830 con la invención del telégrafo, y se empezaron a intensificar hacia finales del siglo XIX, cuando aparecieron y comenzaron a interactuar las redes telegráficas y telefónicas con los generadores de energía eléctrica y las líneas de transmisión de alta tensión. Después de la primera guerra mundial se desarrollaron nuevas técnicas de transmisión de señales y nuevos materiales, complicando así el problema de IEM. Estas dificultades llevaron a la ingeniería a tratar de reducir la gravedad del problema. El gobierno norteamericano creó en 1934 la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC), para regular el uso de las comunicaciones inalámbricas. Posteriormente, otros países fueron creando organizaciones similares: Alemania, con sus normas VDE, y Suiza, con su Comité Internacional Special des Perturbations Radiolectriques (CISPR), establecidos para determinar métodos y límites de IEM. En Colombia, hasta hace muy poco tiempo el tema ha comenzado a ser estudiado, a pesar de que el país está ubicado en la zona con mayor Interferencia Electromagnética - IEM del mundo debida a rayos. La misma evolución y sofisticación de los equipos electrónicos modernos los ha hecho más sensibles a perturbaciones. El presente trabajo de investigación tiene como objetivo recomendar la importancia de recintos apantallados y anecoicos para realizar ensayos electromagnéticos, para tales efectos se requiere de la construcción de absorbedores de ondas electromagnéticas. Para cumplir el objetivo propuesto se tomará como base para la recolección de la información la investigación proyectiva en sus diferentes niveles. A través del presente proyecto de investigación se dan a conocer todos los aspectos relacionados con el trabajo especial de grado, para cumplir con los requisitos establecidos para optar al título de Magíster Scientiarum en Ciencias Aplicadas. Área: Física. El trabajo de investigación desarrollado a continuación se estructura de la siguiente manera: El Capítulo I, incluye planteamiento del problema, su justificación e importancia, objetivos y delimitación del estudio. El Capítulo II, contiene todos los lineamientos teóricos sobre los cuales se basa el estudio, es decir, todos los criterios considerados para la construcción del absorbedor planar multicapas a base de material mineral y vegetal. El Capítulo IIII, comprende la parte metodológica, donde se describe el tipo de investigación así como la metodología empleada. Y por último el Capítulo IV, contempla el análisis de los resultados obtenidos en la construcción y validación del absorbedor planar multicapas a base de material mineral y vegetal, abarcando todos los puntos teóricos expuestos e incluyendo la descripción y conclusiones obtenidas de los experimentos realizados, para el logro de los objetivos planteados en esta investigación. 2. Aspectos teóricos Con la finalidad de sustentar la presente investigación se realizó la revisión del material bibliográfico, trabajos especiales de grado y otras investigaciones relacionadas con el tópico. A continuación se presentan algunos trabajos de investigación los cuales fueron tomados como antecedentes para este proyecto debido a la relación existente entre el título y contenido. Brito y López (2006) en su trabajo presentan los diferentes materiales que son utilizados para la fabricación de cámaras anecoicas, se resaltan las espumas solidas, que es un polímero impregnado de carbón, en el cual se aplica en el interior de las cámaras anecoicas y en especial para frecuencias entre 1 a 40 GHZ. Este producto es utilizado para reducir las ondas reflejadas por la antena fuente, para que la antena bajo prueba reciba la señal directa sin atenuaciones. Se lo encuentra en diferentes variedades de espesor que dependen de la frecuencia de trabajo de las antenas. El trabajo presenta dos formas de absorbentes piramidales huecos que normalmente se pueden utilizar. El más común es un producto hecho con espuma absorbente de fino espesor que envuelve a una pequeña pirámide de espuma sólida. Este tipo de material es muy comercializado en Europa. El otro diseño de este producto se hace recubriendo una capa delgada de un metal con una capa plástica y enlazando este con la pirámide absorbente para darle soporte se utilizan para frecuencias menores a 1GHz, donde los materiales absorbentes deben proporcionar un mejor funcionamiento. Otra forma que el material puede tener es cónica. Este producto tiene la misma geometría que el material piramidal, una misma dirección y forma uniforme en toda la plancha. Esta se utiliza especialmente cuando se requiere guiar la energía a una pared específica. La reflectividad es la misma que en el material piramidal del mismo espesor, donde le campo eléctrico es perpendicular a los conos. Otro absorbente para microondas se realiza con el entrelazamiento de la espuma, es decir junta varios tipos de espesor dentro de una misma plancha. Esto le da mayor funcionamiento al material, debido a que hay más probabilidades de reflexión sobre el absorbente y mayor pérdida de energía. El absorbente dieléctrico multicapa es formado de láminas uniformes de espuma tratada. El espesor de las capas y la carga de carbón varían, dependiendo del espesor del producto. Este material se utiliza para aplicaciones de laboratorio. Otro diseño aplicado es el Absorbente Dieléctrico Híbrido, el absorbente multicapas es muy eficiente debido a que provee bajas pérdidas de la señal. Este proporciona un 33% más material dieléctrico que un material piramidal del mismo espesor. Por lo tanto, una combinación de estos dos materiales puede ser muy aplicable para frecuencias menores a 1GHz. Estos híbridos dieléctricos consisten de un material piramidal propiamente cargado acoplados a capas sucesivas de dieléctrico. El absorbente piramidal pasa cierta cantidad de energía al dieléctrico y de este modo disipan mayor cantidad. Hay una gran demanda para pruebas en el rango de frecuencias de 30 a 1000 MHz, por lo que se ha desarrollado una serie de materiales que optimicen esta aplicación. El material más común la lámina de ferrita. Estas se han utilizado para bajas frecuencias desde los años 40. El incremento de volúmenes ha hecho que las tejas de ferrita vayan evolucionando. 2.1 Irradiación Hayt (2006) define la irradiancia como la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética, también conocida como densidad de potencia. En unidades del sistema internacional se mide en W/m². En electromagnetismo se define la irradiancia como el valor de la intensidad energética promedio de una onda electromagnética en un punto dado y se calcula como el valor promedio del vector de Poynting.