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Javier Romera González
Resumen: En este artículo tratamos las mediciones del campo radioeléctrico. Se comienza por una definición de campo, una definición de “radioelectricidad” y su relación con el concepto físico de electromagnetismo. La necesidad de efectuar mediciones del campo radioeléctrico se ve justificada por causas muy diversas. Desde la ingeniería de comunicaciones al estudio de la salud pasando por la compatibilidad electromagnética. Las áreas de aplicación no dejan de crecer. Tras una introducción a las unidades de medida del campo radioeléctrico (tanto físicas como de ingeniería), pasamos a los métodos de medida y los instrumentos empleados (antenas, receptores), en la misma.
Abstract: In this document we provide an insight in radioelectric field measurements. It begins with a definition of “field”, followed by a definition of “radioelectricity” and its relationship to the physical concept of electromagnetism.
The need for measurement of radio field levels is justified in different ways. From telecommunications engineering to health influence through EMC tests. And application areas continue to grow.
After an introduction to the measurement units for field radio (both physical and engineering), we turn to the measurement methods and instruments used (antennas, receivers).
Algunos conceptos básicos
No me puedo resistir a comenzar este documento sin un breve recordatorio de algunos conceptos básicos. Estos conceptos, aunque conocidos a los estudiosos de las ciencias, pueden ser de interés a un lector menos ducho en estas cuestiones o a otro que, conocedor en su tiempo, se ha visto condenado a un olvido debido a los derroteros de la vida. Además, aprovecho para situar el término en un entorno histórico, que creo que facilitará su comprensión.
Obviando la palabra “medida”, leitmotiv de esta publicación, la primera palabra que encontramos en el título es “campo”. El término “campo” fue acuñado por Faraday a raíz de sus estudios sobre las fuerzas derivadas de la electricidad y el magnetismo, y evolucionó hasta suponer uno de los conceptos más importantes de la física.
El concepto de campo es sutil, ya que implica la “posible acción de una fuerza”. El campo no se ve, no se toca… pero se manifiesta en forma de una fuerza en cuanto se coloca un elemento sensible a dicho campo en un punto en el que este campo existe. Por ejemplo, un material magnético (sensible al campo magnético), se ve sometido a una fuerza cuando se acerca a la zona del “campo magnético” generado por un imán.
Faraday empleó su concepto para explicar fenómenos eléctricos y magnéticos, aunque el concepto se aplica a otros “campos” (y nunca mejor dicho) de la física.
A partir de estos trabajos, es Maxwell quien, en 1883, en un brillante desarrollo de la física teórica, unifica los conocimientos disponibles de la electricidad y el magnetismo dando lugar a una teoría de campos electromagnéticos y postulando, además, a partir de sus resultados, que la luz es un campo electromagnético.
La confirmación práctica de la teoría de Maxwell llega cuando Hertz, en 1887, hace la primera demostración práctica de la existencia de los campos electromagnéticos, produciendo y detectando ondas electromagnéticas.
Esto abre el camino a Marconi, que busca aplicaciones prácticas de los experimentos de Hertz. Comienza la era de la “radioelectricidad” y la generación y detección de “campos radioeléctricos”.
Este artículo trata de la medida de campos radioeléctricos, es decir, de la medida de campos electromagnéticos en el rango de las frecuencias empleadas en las comunicaciones radioeléctricas, lo que forma el llamado “espectro radioeléctrico”.
Rango de frecuencias del espectro radioeléctrico
No existe una definición exacta del rango de frecuencias que forman lo que llamamos “espectro radioeléctrico”. De hecho, este rango ha ido cambiando (creciendo) con el tiempo a medida que la tecnología ha permitido dispositivos en frecuencias cada vez más elevadas.
Cuando Marconi realizó su primer contacto transatlántico, empleó frecuencias por debajo de 1 MHz. En su tiempo, las frecuencias más elevadas se consideraban poco útiles. Ahora, sin embargo, nuestros ordenadores se conectan mediante comunicaciones radioeléctricas a frecuencias de 2400 MHz y las sondas del espacio profundo transmiten información a frecuencias de varias decenas de GHz.
Para definir un rango práctico en el momento actual, vamos a partir de dos criterios:
-
La asignación y reserva de frecuencias para radiocomunicaciones por parte de las autoridades competentes.
-
La reglamentación que establece las limitaciones de emisión y la susceptibilidad para equipos eléctricos y electrónicos.
El espectro radioeléctrico se considera un bien de interés público, y organismos nacionales e internacionales legislan y vigilan para que no se produzca un uso indebido. La ITU (International Telecommunications Union) es el organismo internacional encargado de “repartir” el espectro radioeléctrico. En España, la Dirección General de Telecomunicaciones y Tecnologías de la Información, perteneciente al Ministerio de Energía, Industria y Turismo es el organismo que gestiona estas tareas a nivel nacional.
Si atendemos a sus datos, el espectro radioeléctrico cubre la banda de frecuencias entre 9 kHz y 1 THz, y así se expresa en el CNAF (Cuadro Nacional de Atribución de frecuencias) publicado por este organismo.
Hasta hace unas pocas décadas, las emisiones de bajo nivel que podían surgir de algunos equipos electrónicos no se tenían en consideración como un problema. Sin embargo, en el momento actual, todos los equipos electrónicos que se comercializan deben superar una serie de pruebas normativas que muestren su capacidad para resistir señales radioeléctricas de un determinado nivel sin afectar a su funcionalidad, al tiempo que deben garantizar unas emisiones mínimas para no perturbar a otros dispositivos. Es lo que se conoce como EMC (Electro Magnetic Compatibility).
La multiplicación de usos del espectro radioeléctrico, así como la explosión del número de dispositivos eléctricos y electrónicos que cada vez son más propensos a efectuar emisiones que pueden afectar a otros equipos electrónicos próximos, ha hecho necesarias estas normativas, que con el tiempo van extendiendo sus exigencias en cuanto a niveles y frecuencias del espectro.
Dependiendo del grado de exigencia de la norma, se pueden hacer pruebas EMC en diferentes rangos de frecuencias, pero, actualmente, la mayor parte de las pruebas se efectúan entre 30 MHz y 3 GHz.
La necesidad de medir un campo radioeléctrico:
Aparte del cumplimiento de las normativas EMC, hay otros campos en la que la medida de campos radioeléctricos se hace necesaria. Y eso, dejando a un lado el campo puramente científico en el que cualquier medición es importante, tenga aplicaciones prácticas o no.
El campo radioeléctrico se genera en abundancia para la radiocomunicación. Las medidas relacionadas con la radiocomunicación son un campo en el que las medidas se efectúan con asiduidad. Medir el campo permite deducir la eficiencia de una antena o su adecuada colocación para asegurar una zona de emisión. O medir un campo permite identificar una emisión ilegal no autorizada.
Medir el campo en emisiones radioeléctricas industriales o domésticas (como la medida en un sistema de calentamiento por microondas) es otra aplicación habitual.
Finalmente, voy a mencionar un campo sensible en el que la medición es fundamental: el de la salud. Las emisiones radioeléctricas se emplean habitualmente en tratamientos médicos y estéticos. En estos casos es preciso conocer la radiación emitida para controlar con precisión las dosis aplicadas. Por otra parte, y sin abandonar el área de la salud, vemos como el campo radioeléctrico al que nos vemos sometidos ha aumentado en los últimos años de forma importante. Esto ha creado una polémica en cuanto a la influencia de, parte, o todas, estas emisiones en la salud. Cada vez se realizan más medidas relacionadas con los campos radioeléctricos a pie de calle y en laboratorio, relacionadas con la influencia de estos campos en nuestra salud.
Las unidades de medida
Aunque no parece preciso, lo diré: toda medida requiere unidades. La energía de un campo electromagnético se mide en forma de densidad de potencia, o en unidades de W/m2 (vatios por metro cuadrado). Esta medida no se emplea en la práctica. Lo que se mide realmente es el la intensidad de campo. Se puede expresar como intensidad del campo eléctrico o la intensidad del campo magnético. Ambos campos están relacionados entre sí por la impedancia del medio en el que se propagan, por lo que la medida de uno es suficiente para deducir la medida del otro. Por cierto, la impedancia del vacío, y en la práctica la del aire, es de 120π Ω.
La forma habitual de medida para campos radioeléctricos es la medida del campo eléctrico. Esta medida se efectúa en unidades de V/m (voltios por metro). El campo magnético, que se emplea con menos frecuencia, o en ocasiones en la que esta medida es más sencilla, se mide en A/m (amperios por metro) aunque es mucho menos habitual en la práctica.
La unidad V/m es, para la mayor parte de las medidas prácticas, muy alta. Es por ello que se emplea habitualmente como unidad de medida la de µV/m (microvoltios por metro).
A partir de esta unidad de base, la medida, por razones prácticas de ingeniería, se suele convertir a dB respecto a dicha unidad base. Así pues, es habitual encontrar, tanto en la normativa, como en la instrumentación, las medidas de campo eléctrico expresadas en dBµV/m (decibelios respecto a 1 µV/m) obteniéndose el valor en dB a partir de la ecuación:
En donde, Vmed, es el campo medido en µV/m, y, Vref, el valor de referencia, de 1 µV/m.
El rango de frecuencias de la medida
Ya vimos que el rango de frecuencias del espectro electromagnético que se puede considerar como “radioeléctrico” puede variar según la definición.
El efecto de cada frecuencia, debido a sus condiciones de propagación, potencias habituales etc., no es el mismo. Por ello, en las medidas de campo, no se suele medir el campo en TODO el rango de frecuencias al mismo tiempo.
Por otra parte, el efecto de diferentes frecuencias cambia dependiendo de la situación. La misma energía produce efectos diferentes si está concentrada en una frecuencia o si está repartida entre muchas frecuencias.
La eficacia de una medida de campo en todas las frecuencias simultáneamente sería de muy poca utilidad práctica.
En su lugar, el rango de frecuencias que se quiere medir, se divide en pequeños “trozos” que cubren un rango de frecuencias limitado. Estos trozos, que definen el rango sobre el que se efectúa la medida, y cuyo recorrido se conoce como “ancho de banda”, pueden tener diferentes tamaños según el objeto de la medida que se está efectuando.
El ancho de banda no es igual en la verificación del cumplimiento de una determinada norma EMC (que puede ser de unos pocos kHz) que para estimar la cobertura de una emisión comercial de televisión digital terrestre (que es de 8 MHz).
En este último caso, por ejemplo, lo que se pretende es medir el campo radioeléctrico de ese canal, sin que la medida se vea afectada por emisiones de otros canales adyacentes.
Las variaciones en el tiempo
Al igual que en la frecuencia se seleccionan ciertas “porciones” del espectro para su análisis detallado, la variación en el tiempo también se puede, y, en algunos casos, se debe, analizar.
No es lo mismo una determinada energía enviada en forma de potencia constante que en forma de impulsos de mayor potencia separados por emisiones de potencia nula. La variación de la potencia a lo largo del tiempo nos da también información sobre las características del campo.
Especialmente importante, en mediciones normativas de EMC, las medidas pueden obtener valores medios, valores de pico y medidas definidas a partir de cálculos sobre éstas (quasi pico).
El equipo de medida
Así pues, un equipo de medida debe ser capaz de medir el campo radioeléctrico para:
- Una determinada parte del espectro
- En un determinado tiempo
En la práctica, el equipo de medida se puede reducir a dos elementos básicos:
- El sensor
- El receptor
La misión del sensor es la de convertir la intensidad de campo eléctrico en un valor eléctrico (normalmente tensión) que pueda enviarse al receptor para su posterior análisis y presentación en forma de una medida en las unidades adecuadas.
La misión del receptor es la de convertir la señal eléctrica aportada por el sensor en un valor en unidades físicas de acuerdo con los parámetros de la medida. Entre sus tareas se incluyen la selección de la señal a medir de entre las muchas que puede recibir la antena, o el análisis temporal para obtener los diversos tipos de medidas dependientes del tiempo.
Sensor: La antena
La tarea de convertir el campo eléctrico en una tensión se encarga a un transductor que se denomina, en forma genérica, como antena. La antena es un dispositivo capaz de convertir el campo en un valor de tensión sobre una determinada impedancia de carga.
La relación entre el campo (V/m) y la tensión generada (V) se denomina “factor de antena” y sus unidades: m-1 (para campo eléctrico). Este es un valor que deberá conocer el receptor para efectuar posteriormente la conversión de lo que puede ver (V) en la medida real de campo (V/m).
Resulta muy difícil realizar una antena que cubra de forma lineal un rango amplio de frecuencias. De hecho, el valor del factor de antena se presenta en forma de una curva cuyo valor cambia con la frecuencia.
Por la misma razón, la antena tiene un rango de frecuencias de uso limitado. Fuera de este rango, su factor es tan bajo que no resulta útil en la práctica.
De todos modos, en el diseño de una antena para medidas de campo se busca que su rango de frecuencias sea lo más amplio posible. La tarea de seleccionar la energía únicamente en el ancho de banda de la medida de deja al receptor.
Dependiendo de la aplicación, la antena puede ser direccional, en cuyo caso recoge el campo que proviene de una determinada dirección, rechazando el de otras, u omnidireccional, con recepción del campo en cualquier dirección del espacio circundante.
Las antenas pueden ser de muy diversos tipos y formas, pero prácticamente todas ellas presentan una polarización. La polarización hace que para medir el campo adecuadamente, la antena deba orientarse en el mismo sentido del campo que está midiendo.
Cuando se conoce dicha polarización, la antena debe orientarse en ese sentido. En pruebas EMI, en las que la polarización no se conoce de antemano, las mediciones se efectúan tanto en polarización horizontal como vertical.
La antena es un elemento generalmente pasivo, aunque en determinadas circunstancias incluyen elementos activos que mejoran su rendimiento o respuesta.
La figura 1 presenta una antena de construcción log-periódica, para mediciones de campo entre 30 MHz y 1000 MHz. Esta antena es direccional.
Receptores
Una vez convertido el campo a un valor de tensión eléctrica, la misión del receptor es la de medir el valor de dicha tensión y presentarlo en unidades útiles para el usuario.
Pero, como hemos avanzado anteriormente, la medida debe efectuarse en un rango de frecuencias determinado. La antena captará un rango de frecuencias muy amplio, un rango incluso mayor que aquél para el que está diseñada.
El receptor tiene además la misión de “filtrar” las tensiones de las frecuencias que se desean evitar en la medida y efectuar la medición únicamente sobre las frecuencias deseadas. Debido a esta necesidad entre otras, el receptor es un equipo complejo, mucho más que la antena. Existen receptores para usos genéricos, receptores para usos específicos, receptores para usos normativos, receptores de usos múltiples…
Los receptores pueden emplear técnicas de barrido, que efectúan las medidas en diferentes frecuencias en diferentes tiempos, una tras otra, pero algunos receptores más modernos emplean tecnologías digitales para efectuar una medida en un grupo amplio de frecuencias de forma simultánea. Esto permite reducir los tiempos de medida de forma significativa.
En la figura 2 se presenta un receptor adecuado para medidas entre 20 Hz y 26,5 GHz, tanto generales, como según la norma CISPR-16.
La medida en campo
El campo electromagnético puede proceder de muy diversas fuentes, tanto naturales como artificiales. Las medidas de campo, salvo para investigación, se hacen para determinar el campo producido por fuentes artificiales y sus niveles se encuentran habitualmente por encima de los de las fuentes naturales.
Para hacer una medición en campo basta con el equipo descrito: Un antena y un receptor calibrados.
La medida en laboratorio
Las numerosas fuentes de radiación electromagnética que pueden encontrarse hacen poco viable una medida precisa de emisiones de baja intensidad en campo. Además de la antena y el receptor, se requiere un entorno libre de otros campos que no sean los que forman parte de la medida.
El aislamiento de estos campos se consigue en una cámara que absorbe las emisiones externas a dicha cámara y que a su vez evita las reflexiones de las emisiones internas en la misma (también las absorbe en sus paredes). Este tipo de cámara se denomina “cámara anecoica” para radiofrecuencia. En la práctica, muchas de estas cámaras se construyen con un lado (habitualmente el suelo) no absorbente sino reflectante. La cámara es así más sencilla de construir y emplear. Los efectos se pueden conocer y compensar obteniéndose una medición adecuada.
Estas cámaras están formadas por un blindaje externo de un material que impide (absorbe) la entrada de campos de radiofrecuencia externos y por materiales que cubren las paredes internas, capaces de absorber los campos que se emiten desde el interior, evitando rebotes y dando al emisor unas condiciones similares a su ubicación en el vacío.
La formación de un campo electromagnético a partir de un emisor precisa un espacio desde el emisor. Lo que acaba siendo una onda electromagnética, comienza como solamente un campo eléctrico o un campo magnético. Este espacio necesario entre el emisor y el punto en que se dispone de una onda electromagnética depende principalmente de la longitud de onda. A mayor longitud de onda (o menor frecuencia) mayor es la distancia.
Esto hace que la medida del campo generado por un dispositivo deba efectuarse a una distancia mínima de dicho dispositivo.
En las cámaras anecoicas para medidas EMC normativas, se establece una distancia de 10 m entre la antena y el equipo emisor para las medidas a partir de 30 MHz. Una cámara más pequeña, permite medidas (con algo menos de precisión, sobre todo en las frecuencias más bajas) con la antena a tres metros de distancia del emisor.
Para frecuencias muy altas, se pueden construir cámaras anecoicas del tamaño de un mueble pequeño.
En las cámaras anecoicas se emplean generalmente antenas direccionales. Como la medida de un campo debe hacerse en todas las direcciones y en todas las polaridades, en las pruebas normativas se mide con la antena en dos polarizaciones y a diferentes alturas, cambiando la posición del emisor (en lugar de posición de la antena).
Medidas en una cámara
La figura 3 representa las mediciones efectuadas sobre las emisiones de un equipo entre las frecuencias de 30 MHz y 1000 MHz en un equipo electrónico. En este caso, y por exigencias de compatibilidad, las emisiones deben estar por debajo de la línea que marca el límite de la norma. Como puede verse, en este caso el equipo cumple sobradamente con los límites de la norma.
Es importante observar que la escala de nivel (vertical) está en unidades dBµV/m. El rango de frecuencias de medida (horizontal) en este caso está entre 30 MHz y 1000 MHz, y la medida se da en forma de curva para diferentes “tramos” de frecuencia.
La figura 4 muestra la disposición dentro de una cámara para medidas entre 1 GHz y 3 GHz. Puede verse el fondo de la cámara con el material absorbente y también material absorbente sobre el suelo entre el equipo y la antena.
La antena está relativamente próxima al equipo debido a las frecuencias elevadas de la medida. Se trata de una antena de bocina. El receptor se sitúa fuera de la cámara.
Límites de la medida
Todo dispositivo eléctrico está sometido a la generación de ruido debido a la temperatura. Así pues, por muy perfecto que sea el diseño de los elementos que forman el sistema de medida, siempre se detectará una señal mínima debida al propio sistema.
Aparte del ruido térmico (o ruido de Johnson-Nyquist), los diferentes dispositivos que intervienen en la medida tienen limitaciones tecnológicas que hacen que el nivel mínimo detectable esté por encima del ruido térmico.
La diferencia entre el ruido mínimo de un receptor (medida en ausencia de señal de entrada) y el ruido térmico, se denomina “figura de ruido” del receptor, se suele expresar en dB y es uno de los indicadores de calidad del mismo.
La calidad de la cámara, de las antenas empleadas, del resto de características del receptor, son vitales para la calidad de la medida.
Conclusión
Las medidas del campo radioeléctrico son cada vez más necesarias en múltiples ámbitos de la ciencia y la técnica.
En este artículo se han expuesto los conceptos básicos, y algunos de los equipos de medida que se emplean. Para algunas funciones específicas o medidas que no requieran tanta precisión, se dispone de equipos dedicados.
Bibliografía
- “Field Strength Measurement. Application note 150-10”. Hewlett Packard. September, 1976.
- “EMC Antenna Fundamentals”. Zhong Chen. Conformity 2004.
- “Electromagnetics explained”. Ron Schmitt. Newness, 2002.
- “Antennas. 2nd ed.”. Krauss, J.D. MGraw Hill 1988.
- “How RF Anechoic Chambers Really Work”. Glen Dash. Ampyx 2005.
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