Introducción
La integración satisfactoria de una antena en la plataforma de un vehículo plantea numerosos retos. Las características del vehículo afectan al rendimiento de la antena al bloquear, reflejar o reemitir la energía, y las interferencias en el mismo emplazamiento pueden mermar la eficacia de las configuraciones con múltiples antenas. El movimiento de la plataforma y factores ambientales como el terreno y los edificios pueden reducir la eficacia del sistema en condiciones operativas reales. Además, los riesgos de radiación pueden suponer un peligro para el personal cercano. El modelado y la simulación constituyen una herramienta poderosa para ayudar a comprender estos problemas y desarrollar soluciones. Este artículo ofrece diversos ejemplos de evaluaciones basadas en la simulación que se utilizan para analizar el rendimiento de las antenas, identificar problemas y evaluar posibles soluciones.
La principal ventaja de la evaluación basada en la simulación es que resulta relativamente rápida y rentable en comparación con la modificación y medición físicas del sistema. Los plazos y los costes asociados a la programación de mediciones en una cámara anecoica o en unas instalaciones de ensayo al aire libre a veces suponen una carga para los calendarios y los presupuestos. El modelado y la simulación permiten evaluar opciones y compensaciones con el fin de seleccionar un pequeño número de enfoques planificados mucho antes de que se realicen pruebas físicas; como resultado, el diseño experimental se centra en verificar los enfoques planificados y ajustar las alternativas que han demostrado ser eficaces en las simulaciones. Este enfoque reduce el riesgo de encontrar problemas que requieran nuevas pruebas, un costoso rediseño o que introduzcan un comportamiento peligroso en el campo de operaciones.
Además, surgen una serie de dificultades cuando se intenta realizar pruebas exhaustivas, ya sea en laboratorio o sobre el terreno, en un sistema integrado. Entre los posibles problemas se incluyen:
- Es posible que las instalaciones de medición disponibles no tengan capacidad para albergar plataformas de mayor tamaño
- Es posible que las instalaciones no puedan gestionar todo el rango de frecuencias de los sistemas sometidos a prueba
- Las mediciones exhaustivas in situ pueden resultar difíciles o poco viables en condiciones operativas (por ejemplo, en una aeronave en vuelo o en un HMMWV en un entorno urbano)
- Las modificaciones realizadas en el lugar podrían requerir pruebas adicionales
Un conjunto completo de herramientas de modelización y simulación permite a una organización superar estos retos, ya que ofrece la posibilidad de simular cualquier número de condiciones, identificar y resolver problemas clave, y reservar el uso de mediciones físicas para confirmar el éxito de las evaluaciones previas a las pruebas basadas en la simulación. El resto de este artículo ofrece varios ejemplos que ilustran evaluaciones típicas basadas en la simulación para identificar y resolver problemas relacionados con el rendimiento de las antenas y su integración en los vehículos.
Evaluación del rendimiento de las antenas cuando se integran en plataformas de vehículos
Los solucionadores electromagnéticos de alta fidelidad predicen el rendimiento de una antena, incluyendo los efectos provocados por las características del vehículo en el que está montada. La figura 1 muestra una serie de resultados de simulaciones realizadas por el Centro de Investigación, Desarrollo e Ingeniería de Comunicaciones y Electrónica del Ejército de los Estados Unidos (CERDEC) utilizando el software XFdtd® de Remcom y una herramienta interna de trazado de rayos. La figura 1(a) muestra el patrón de radiación simulado en espacio libre, sin ningún vehículo u otra obstrucción que perturbe el patrón. La figura 1(b) muestra el patrón de radiación una vez que la antena se ha montado en un vehículo. Aunque el patrón ha cambiado claramente, añadiendo algunos lóbulos traseros significativos y provocando variaciones en el patrón de radiación frontal, la antena presenta una radiación frontal y una ganancia similares a las del diseño original. Este tipo de simulación puede realizarse para evaluar cualquier número de posibles configuraciones alternativas hasta que se identifique una opción satisfactoria y se seleccione para la integración final.
Las figuras 1(c) y 1(d) ilustran cómo las modificaciones realizadas sobre el terreno complican el rendimiento de la antena. La figura 1(c) muestra el patrón de radiación tras modificar el vehículo con la incorporación de un kit de mitigación de cables aéreos (OWM) que utiliza un poste metálico. Nota: El OWM evita que obstáculos aéreos, como tendederos, cables eléctricos y follaje, dañen las antenas instaladas. El impacto es significativo. Se forma un nulo en el lóbulo principal, lo que reduce la ganancia de la antena en la dirección de avance del vehículo. La sustitución del poste metálico por una varilla de fibra de vidrio, como se muestra en la figura 1(d), mejora significativamente el rendimiento, recuperando una fuerte ganancia en la dirección de avance.
Figura 1: Modelización y simulación mediante el software XFdtd de Remcom para evaluar el rendimiento de las antenas de la plataforma y el impacto de las modificaciones previstas en el teatro de operaciones
A frecuencias más altas, las plataformas pueden llegar a ser «eléctricamente grandes», donde el tamaño eléctrico describe la dimensión de un objeto en relación con la longitud de onda de una señal. La modelización de un escenario «eléctricamente grande» mediante una solución de onda completa, como el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) empleado en XFdtd, podría requerir más memoria o tiempos de simulación más largos de lo deseado, por lo que un enfoque híbrido en dos pasos puede ofrecer una alternativa más viable. La figura 2 muestra la simulación de una matriz de antenas de banda X montada en un Global Hawk. El método de onda completa de XFdtd determina el patrón de radiación de la matriz sobre un plano de tierra metálico. A continuación, una solución basada en la Teoría Uniforme de la Difracción (UTD) del solucionador XGtd® de Remcom calcula el patrón de radiación resultante del montaje del conjunto en la parte inferior del Global Hawk, que es de grandes dimensiones eléctricas. Este proceso en dos pasos proporciona una evaluación precisa y eficiente del rendimiento global de la antena en su configuración operativa.
Figura 2: Enfoque híbrido que utiliza XFdtd y XGtd para simular la radiación de una antena instalada en un Global Hawk
Evaluación de la interferencia entre antenas en el mismo emplazamiento
Los vehículos militares suelen incorporar varios sistemas de antenas situados muy cerca unos de otros. Las interferencias entre estos sistemas pueden provocar problemas en su funcionamiento simultáneo. Como primer paso para comprender el impacto, es necesario evaluar el acoplamiento de potencia entre cada antena transmisora y receptora. Esto se suele hacer simulando o midiendo la potencia recibida en cada antena instalada procedente de todas las antenas transmisoras. En el caso de los conjuntos de antenas, estas potencias transmitidas y recibidas deben sumarse adecuadamente para representar las señales reales observadas en el puerto de entrada del conjunto. La relación entre la potencia recibida y la potencia transmitida del sistema radiador representa el acoplamiento de potencia y describe qué parte de la potencia transmitida, dentro o fuera de banda, se propaga al sistema vecino.
La figura 3 presenta los resultados de una simulación XFdtd que evalúa el acoplamiento de potencia entre tres antenas conceptuales montadas en un HMMWV, tal y como se muestra en la figura 3(a). Se ha modelado una antena de interferencia direccional como un conjunto montado en la parte trasera derecha del vehículo. Se simula el acoplamiento de potencia desde esta antena a otras tres antenas: una antena de comunicaciones monopolar montada en la parte trasera izquierda del vehículo y una matriz de parches planos en la parte delantera izquierda del techo que incluye matrices de antenas de transmisión y recepción para comunicaciones por satélite. La figura 3(b) muestra el acoplamiento de potencia de banda ancha desde el inhibidor a cada una de las otras antenas, con colores en el gráfico que coinciden con las flechas de la visualización del vehículo.
Figura 3: Interferencia entre un dispositivo de interferencia y dos antenas contiguas en un HMMWV
Este tipo de investigación ayuda a los analistas a determinar si un transmisor afecta o no al funcionamiento de los sistemas vecinos y a desarrollar estrategias de mitigación en caso necesario. Entre las medidas de mitigación podrían figurar:
- Selección cuidadosa de las bandas de frecuencia para evitar interferencias
- Reubicación de las antenas para reducir el impacto
- Uso alternativo de los sistemas (básicamente, multiplexación por división de tiempo) para que las antenas no funcionen simultáneamente
- Modificación de los filtros de entrada del sistema para permitir el funcionamiento simultáneo (en casos extremos)
Los resultados de la simulación contribuyen a todos estos enfoques, ya que permiten evaluar rápidamente diferentes configuraciones de antenas. Una vez finalizados los modelos previos a las pruebas y las evaluaciones de simulación, las mediciones se centran de manera eficaz en confirmar los análisis y las estrategias de mitigación.
Evaluación del impacto del entorno en el rendimiento de las antenas
El entorno desempeña un papel importante en el rendimiento de las antenas. La presencia de un plano de tierra dieléctrico en el campo cercano de la antena alterará el rendimiento de radiación. A medida que los campos se propagan hacia la zona lejana, las interacciones con el suelo y las estructuras provocan interferencias debidas a la propagación por trayectorias múltiples, lo que da lugar a interferencias constructivas o destructivas y a fenómenos de sombreado. En ningún lugar es esta interferencia más evidente que en entornos urbanos densos, donde la disposición específica de los edificios puede convertirse en el factor más determinante en la propagación de los campos dentro del entorno.
La figura 4 ilustra los efectos de las trayectorias múltiples provocadas por los edificios en un entorno urbano para dos escenarios diferentes, modelados con el paquete Wireless InSite® de Remcom. La figura 4(a) muestra la potencia recibida desde una antena transmisora montada en un HMMWV mientras este recorre una ruta por la ciudad. La figura 4(b) presenta la pérdida de trayectoria de la antena de matriz del Global Hawk mostrado anteriormente, mientras vuela a gran altura sobre la esquina inferior izquierda de la escena urbana de la imagen. Ambas imágenes ayudan a planificar el uso operativo de los sistemas. A un nivel fundamental, la consideración del entorno previsto, como la evaluación de cómo el terreno bajo un vehículo afecta al alcance efectivo de un sistema, también puede utilizarse durante la integración para garantizar que un sistema sea capaz de llevar a cabo la misión prevista.
Figura 4: Las simulaciones de Wireless InSite muestran el impacto que el entorno (especialmente el urbano) puede tener en el rendimiento operativo de una antena
Evaluación de los posibles riesgos de radiación para el personal
Las normas ANSI, la Instrucción 6055.11 del Departamento de Defensa (DOD) y otras numerosas normas gubernamentales establecen especificaciones reglamentarias sobre la exposición máxima permitida (MPE) para proteger al personal de la radiación de radiofrecuencia (RF). Cuando se barajan sistemas y ubicaciones alternativos para el montaje de las antenas del sistema, un factor clave que debe tenerse en cuenta es el riesgo potencial de exposición del personal a la radiación. La figura 5 muestra la magnitud de los campos eléctricos que, según las predicciones de XFdtd, entrarán en la cabina de un HMMWV, principalmente a través de sus ventanas, desde una antena montada en el techo. La información sobre las intensidades de los campos eléctricos y magnéticos, la frecuencia, la duración y el factor de servicio de las transmisiones del sistema se combina de una manera relativamente sencilla para determinar si es probable que el sistema supere la MPE. A un nivel más detallado, también es posible utilizar el método FDTD para estimar la tasa de absorción específica (SAR) de una persona modelada como sentada dentro del vehículo o de pie cerca de él; sin embargo, los niveles de campo a lo largo del tiempo (como se muestra en la figura) son la métrica habitual para la evaluación del riesgo de radiación dentro del Departamento de Defensa (DOD).
Figura 5: Evaluación de los campos y del posible riesgo de radiación para el conductor y los pasajeros mediante XFdtd
Conclusión
Hay una serie de cuestiones fundamentales que deben tenerse en cuenta a la hora de integrar una antena en una plataforma de vehículo, especialmente cuando el uso previsto es para operaciones militares. Este artículo ofrece algunos ejemplos, entre los que se incluyen la evaluación del impacto de las características del vehículo en la radiación, la interferencia en el mismo emplazamiento provocada por sistemas de múltiples antenas y los obstáculos ambientales a la propagación, así como el análisis de los posibles riesgos de radiación. Existen diversas soluciones de modelización electromagnética para analizar las distintas partes del problema, y hay muchos casos en los que los enfoques híbridos que utilizan múltiples soluciones ayudan enormemente a la comprensión general de las cuestiones. Al utilizar estas herramientas para la evaluación basada en la simulación antes de la integración final de la antena y de las pruebas de laboratorio o de campo, una organización puede identificar los problemas clave y desarrollar enfoques de mitigación de forma rentable. En este sentido, la modelización y la simulación se convierten en una herramienta más para ayudar a garantizar el éxito cuando el sistema se implante finalmente sobre el terreno.
