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“EIDO Escola Internacional de Doutoramento” “TESE DE DOUTORAMENTO” Estudio de antenas de HF en un buque: simulaciones, medidas en maqueta y medidas. Luis Francisco Sánchez Álvarez Vigo, JUNIO 2017

Escola Internacional de Doutoramento

Luis Francisco Sánchez Álvarez TESE DE DOUTORAMENTO

Estudio de antenas de HF en un buque: simulaciones, medidas en maqueta y medidas. Dirixida polos doutores: Fernando Obelleiro Basteiro. José Manuel Taboada Varela. Ano: 2017

En recuerdo y memoria de padre.

Agradecimientos.

Intentar mencionar a todos aquellos que han hecho posible este trabajo, es muy complicado, espero no olvidar a nadie. Es intrínseco y necesario que haya un orden, pero no por ello resta importancia ni valor. A Pili, mi mujer, por toda la comprensión, ayuda y apoyo prestado y las horas que ha pasado conmigo, sobre todo con “mi inglés”. Así como por esos tres pequeños y revoltosos enanos: José, Carmen y Fran. A toda mi familia por haber prestado los medios y las bases para poder llegar aquí. A Diego, quien durante las medidas en el laboratorio ejercía como canguro de José en los pasillos de la Universidad. Agradecimientos a los tecnólogos, Cabo y Fran, que colaboraron con las medidas de laboratorio. Mi gratitud a mis directores de Tesis, los Profesores Obelleiro (Obi) y Taboada (Tabo), así como a Marta, por su guía y ayuda. No puedo olvidar las geniales ideas del Profesor José Luis Rodríguez Rodríguez (Banner), ni las horas pasadas saneando el modelo a escala en el laboratorio. Agradecimiento a todo el personal del Centro de Medidas Electromagnéticas de la Armada (CEMEDEM), sin cuya dotación y recursos no habría sido posible la obtención de las medidas de este trabajo, sobre todo al Vicealmirante José Francisco Pérez-Ojeda, mi primer jefe en el CEMEDEM, quien me enseñó qué son los barcos de guerra y sus peculiaridades. Especial mención al Ilustrísimo Señor Capitán de Navío Don Ricardo Sanjuán Solórzano, mi jefe en el CEMEDEM durante varios años, quien me ayudó en la revisión técnica del trabajo. Al Capitán de Corbeta Ingeniero Rafael Valencia Cruz y al Contralmirante Ingeniero Alejandro Rey Portoles, por las gestiones y revisión del material a publicar, respectivamente. Muchas gracias Paco, por aguantar mis cabreos en el despacho.

A mis amigos y compañeros de la Universidad, que me han servido de guía, apoyo y consulta en este largo y arduo trabajo: Tomás, “Porti”, Jorge, David… Bea, menos mal que hay esas “red’s” de la Mimela. A todos vosotros, una sola palabra: “gracias” Luis Francisco Sánchez Álvarez.

“Caminante no hay camino, se hace camino al andar” (Antonio Machado, 1875-1939)

RESUMEN

Esta Tesis doctoral es el producto de muchos años de trabajo, en concreto desde finales de 2005 hasta hoy en día, cuando embarqué en el Centro de Medidas Electromagnéticas (CEMEDEM) de la Armada Española. El CEMEDEM se encarga de todo lo relacionado con la Compatibilidad Electromagnética para la Armada Española, siendo nuestros principales “clientes” los buques de guerra, la plataforma más compleja desde el punto de vista electromagnético: en un espacio muy limitado deben de convivir sistemas de comunicaciones, de armas, de navegación, de exploración aérea, de guerra electrónica…, todos ellos capaces de abarcar desde unos pocos megahercios hasta varios gigahercios, con potencias que pueden llegar a megavatios. Intentar entender todo esto es bastante complicado, sobre todo cuando durante la carrera en la Universidad se trabaja con unos pocos vatios. Debido a estas peculiaridades, este trabajo se centra en un solo sistema de una plataforma naval, el sistema de comunicaciones de HF (2 a 30 MHz), común en todo tipo de buques, tanto militares como civiles. Como consecuencia de las peculiaridades en un buque de guerra, se estudiarán todos los aspectos de las antenas de HF: niveles de campos electromagnéticos, diagramas de radiación y diseño de antenas. Desde el punto de vista de seguridad a bordo, tanto de personas como de combustibles y municionamientos, es necesario conocer los niveles de campo electromagnéticos a bordo. Se lleva a cabo un análisis completo de la normativa que fija los niveles permisibles para las personas, se implementa un método de medida y se aplica, para contrastar con las simulaciones realizadas, con la finalidad de obtener las zonas que presentan un potencial peligro para las personas a bordo. Por necesidades operativas es necesario saber cómo medir y cómo afecta el propio buque a los diagramas de las antenas, para lo cual se desarrolla un procedimiento de medida que nos permita llevarlo a cabo. Se lleva a cabo además el diseño e integración de antenas de HF: se diseñan mediante software 3-D, se implementan en un modelo a escala (método tradicional), y los diseños alcanzados se implementan en un buque, obteniendo finalmente las medidas reales sobre el buque construido.

LISTA DE PUBLICACIONES

Artículos publicados en revistas internacionales: •

L.F. Sanchez, “Measurement of the radiation patterns of navy shipboard High Frequency (HF) antennas on a large warship”, Measurement, Volume 74, October 2015, Pages 200-207, ISSN 0263-2241. http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2015.07.027 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263224115003620

•

L.F. Sánchez, M.G. Araujo, I. García-Tuñón, J.L. Rodríguez, D.M. Solís, J.M. de los Reyes, J.M. Taboada, F. Obelleiro, “HF broadband antenna design for

shipboard

communications:

Simulation

and

measurements”,

Measurement, Volume 89, July 2016, Pages 13-20, ISSN 0263-2241, http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2016.03.068 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026322411630046X

Contribuciones a congresos internacionales:

•

A. Valles Castro; F. J. Calviño Dopazo; L. F. Sanchez Alvarez; S. Garcia Fernández; J. E. Antoranz Alvaro; F. Torrecilla Orte; M. Garcia Sanchez; A. V. Alejos; I.

Cuiñas; P.

Gomez

Perez,

“Experimental

assessment

of

propagation models over sea for UHF and X bands”. 2016 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI). Year: 2016

Pages: 2059 - 2060, DOI: 10.1109/APS.2016.7696736

Conference Publications http://ieeexplore.ieee.org/document/7696736/

IEEE

Artículos publicados en revistas nacionales:

•

Sánchez

Álvarez,

TN

(CIA-EOF)

Luis

Francisco,

"Radiaciones

electromagnéticas no ionizantes: legislación y aplicación para el personal en el ámbito de la Armada", Boletín de Observación Tecnológica en Defensa n. º, 50 2º trimestre de 2016, SUBDIRECCIÓN GENERAL DE PLANIFICACIÓN, TECNOLOGÍA E INNOVACIÓN. ISSN: 2444-4839 / NIPO papel: 083-12-040-9 / NIPO en línea: 083-12-041-4 / NIPO libro electrónico: 083-12-039-6 / Depósito legal: M-8179-2009 http://publicaciones.defensa.gob.es/boletin-de-observacion-tecnologica-endefensa-19124.html

•

Sánchez Álvarez, L. F. (2016). “Radiaciones Electromagnéticas no ionizantes en la Armada”. Revista general de marina, 271(4), 643-650. Depósito legal: M. 1.605-1958 /

ISSN: 0034-9569 / NIPO: 083-15-012-8

(edición en papel) / NIPO: 083-15-014-9 (edición en línea). http://www.armada.mde.es/ArmadaPortal/page/Portal/ArmadaEspannola/mard igital_revistas/prefLang_es/02_revistaGenMarina--02_catalogoRGM--2016-201611_es?_selectedNodeID=2861087&_pageAction=selectItem

Contribuciones a congresos nacionales:

•

Sánchez Álvarez, Luis Francisco, “Estudio y Medidas de Radiaciones No Ionizantes en un Radar Naval en Banda-D (1 - 2 GHz)". Asorey-Cacheda, R. et al., Actas: III Congreso Nacional de i+d en Defensa y Seguridad, DESEi+d 2015. Ed. Centro Universitario de la Defensa de Marín, 2015. ISBN: 978-84-944537-0-0 http://calderon.cud.uvigo.es/bitstream/11621/77/1/actas_DESEid2015.pdf

•

Sánchez Álvarez, Luis Francisco, “ Procedimiento de Medida RADHAZHERP en Sistemas HF de Banda Ancha Embarcados". Asorey-Cacheda, R. et al., Actas: III Congreso Nacional de i+d en Defensa y Seguridad, DESEi+d 2015. Ed. Centro Universitario de la Defensa de Marín, 2015. ISBN: 978-84-944537-0-0 http://calderon.cud.uvigo.es/bitstream/11621/77/1/actas_DESEid2015.pdf

Artículos en revisión en revistas internacionales:

•

MEAS-S-16-00729: Measurement Elsevier Editorial System / Title: “Radiation hazards to personnel from non-ionizing fields of broadband HF systems onboard a vessel: measurement and simulation” / Authors: Luis Francisco Sanchez, LT(CE); Francisco Calviño, LT(CE); Santiago Garcia; Jose M Taboada, PdH; Marta G Araujo, PdH; Fernando Obelleiro, PdH; Jose L Rodriguez, PdH; Ines G Garcia-Tuñon, PdH. Status: Under review. (http://ees.elsevier.com/meas/viewRCResults.aspx?pdf=1&docID=13485&rev=0&fileI D=361650&msid=%7B1AC54355-C807-48D3-95D5-7DB84030071D%7D).

•

11276-31477-1-SM: DEFENCE SCIENCE JOURNAL / Title: “Radiation hazards to personnel from non-ionizing fields of broadband HF systems onboard a warship: measurement and simulation” / Authors: L.F. Sánchez, F.J. Calviño, J. M. Taboada, M.G. Araujo, F. Obelleiro, J. L. Rodríguez. Status: Under review, editor decision.

•

IEEE America Latina (R-9) / Reference: 4604 / Title: “Human Exposure to Electromagnetic Fields on Marine Platforms: Safety Regulations, Simulation and Measurement”. / Authors: L.F. Sánchez, F.J. Calviño. Status: Under review, editor decision.

INDICE

INDICE

INDICE ............................................................................................................................... XIX INDICE DE FIGURAS ........................................................................................................................ XXIII ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS ................................................................................................................ XXV INDICE DE TABLAS ......................................................................................................................... XXVII

ACRONIMOS .................................................................................................................. XXIX INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 OBJETIVOS .......................................................................................................................... 7 APORTACIONES DE ESTA TESIS ...................................................................................... 9 ESTRUCTURA DE LA TESIS............................................................................................... 0 CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES ................................................................. 2 1.1

SISTEMAS ELECTRÓNICOS A BORDO DE PLATAFORMAS MILITARES NAVALES ...................... 2

1.1.1

SISTEMAS DE COMUNICACIONES EXTERIORES ............................................................... 3

1.1.2

EJEMPLOS DE PLATAFORMAS ....................................................................................... 11

1.2

COMUNICACIONES NAVALES ................................................................................................ 15

1.2.1

REDES, SISTEMAS Y SERVICIOS ...................................................................................... 16

1.2.2

COMUNICACIONES TIERRA-BUQUE Y BUQUE TIERRA .................................................. 17

1.2.3

COMUNICACIONES TÁCTICAS DE UNA FUERZA NAVAL ................................................ 17

1.2.4

COMUNICACIONES TIERRA-AIRE, AIRE-AIRE, BUQUE-AIRE .......................................... 17

1.2.5

COMUNICACIONES PORTUARIAS .................................................................................. 18

1.2.6

REDES ESPECIALES ......................................................................................................... 18

1.2.7

COMUNICACIONES CON BUQUES MERCANTES ............................................................ 18

1.3

RIESGOS DE LAS RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS ........................................................ 19

1.3.1

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 19

1.3.2

HERP .............................................................................................................................. 20

1.3.3

HERF .............................................................................................................................. 21

1.3.4

HERO.............................................................................................................................. 23

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF ........................................................................................ 26 2.1

ANTENAS DE COMUNICACIONES DE HF ................................................................................ 26

2.1.1

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 26

XIX

INDICE

2.1.2 2.2

TIPOS DE ANTENAS DE HF ............................................................................................. 27

ANTENAS DE HF NAVALES ..................................................................................................... 30

2.2.1

ANTENAS DE LÁTIGO (MONOPOLE WHIPS) .................................................................. 31

2.2.2

ANTENAS DE DOBLE LÁTIGO (TWIN WHIP ANTENNAS) ................................................ 33

2.2.3

ANTENAS DE HILO (LONG-WIRE ANTENNAS) ................................................................ 34

2.2.4

ANTENAS DE ABANICO (FAN ANTENNAS) ..................................................................... 36

2.2.5 ANTENAS DE ONDA IONOSFERICA INCIDENTE CASI VERTICALES (NEAR-VERTICAL INCIDENT SKYWAVE, NVIS)............................................................................................................ 38 2.3

ESTADO DEL ARTE EN ANTENAS NAVALES DE HF ................................................................. 40

2.4

CONFIGURACIONES DE HF TIPICAS ....................................................................................... 43

2.4.1

ANTENAS TRANSCEPTORAS........................................................................................... 43

2.4.2

ANTENAS RECEPTORAS ................................................................................................. 44

2.5

ESTADO DEL ARTE EN SISTEMAS DE COMUNICACIONES DE HF ........................................... 45

2.5.1

FRAGATAS DE LA CLASE “ALVARO DE BAZAN” (F-100) ................................................. 45

2.5.2

LHD ................................................................................................................................ 45

2.5.3

BAC ................................................................................................................................ 46

2.5.4

BAM ............................................................................................................................... 46

CAPÍTULO 3. PROCEDIMIENTOS DE MEDIDAS ............................................................. 48 3.1

MEDIDA DE LA IMPEDANCIA DE ENTRADA ........................................................................... 48

3.1.1

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 48

3.1.2

METODOS DE MEDIDA .................................................................................................. 50

3.2

RADHAZ HERP ........................................................................................................................ 54

3.2.1

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 55

3.2.2

NORMATIVA .................................................................................................................. 56

3.2.3

PROCEDIMIENTO DE MEDIDAS ..................................................................................... 59

3.2.4

MEDIDAS REALIZADAS SOBRE PLATAFORMA NAVAL ................................................... 65

3.2.5

MEDIDAS ....................................................................................................................... 67

3.2.6

RESULTADOS Y DISCUSIONES ........................................................................................ 68

3.3

MEDIDAS DE DIAGRAMAS DE RADIACIÓN DE ANTENAS NAVALES DE HF ............................ 70

3.3.1

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 70

3.3.2

MEDIDAS ....................................................................................................................... 72

3.3.3

RESULTADOS Y DISCUSIONES ........................................................................................ 81

3.3.4

CONCLUSIONES ............................................................................................................. 86

XX

INDICE

CÁPITULO 4: MODELADO DE ANTENAS DE BANDA ANCHA DE UN BUQUE LHD ..................................................................................................................................... 88 4.1

MODELADO A ESCALA .......................................................................................................... 88

4.1.1

TEORIA ELECTROMAGNETICA DE MODELOS A ESCALA ................................................ 88

4.1.2

CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL DE UN MONOPOLO .............................................. 94

4.1.3

MONTAJE MONOPOLO.................................................................................................. 95

4.1.4

MODELO A ESCALA DE UN MONOPOLO ..................................................................... 100

4.2

MODELADO ANTENAS DE BANDA ANCHA LHD MEDIANTE M3-HEMCUVE ........................ 108

4.2.1

SIMULACIÓN ELECTROMAGNÉTICA: M3...................................................................... 108

4.2.2

BUQUE TIPO LHD ......................................................................................................... 109

4.2.3

MODELO GEOMÉTRICO DEL BUQUE TIPO LHD ........................................................... 111

4.2.4

SISTEMA DE COMUNICACIONES DE HF ....................................................................... 112

4.2.5

BANDA ANCHA DE UN BUQUE TIPO LHD .................................................................... 113

4.3

MODELADO A ESCALA DE ANTENAS DE BANDA ANCHA PARA UN BUQUE LHD ................ 121

4.3.1

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... 121

4.3.2

ESCALA......................................................................................................................... 121

4.3.3

MODELO A ESCALA DE UN BUQUE TIPO LHD.............................................................. 122

CÁPITULO 5: ANTENAS DE BANDA ANCHA DE UN BUQUE LHD ............................. 142 5.1

CARACTERISTICAS ANTENAS ............................................................................................... 142

5.1.1

MATERIAL ANTENAS BANDA ANCHA .......................................................................... 142

5.1.2

DOBLE ABANICO BANDA BAJA .................................................................................... 142

5.1.3

DOBLE ABANICO BANDA MEDIA ................................................................................. 147

CAPÍTULO 6: RESULTADOS ANTENA BANDA ANCHA BUQUE LHD: SIMULACIÓN / MODELO A ESCALA /PLATAFORMA REAL ........................................ 152 6.1

COMPARATIVA BANDA BAJA: SIMULACIÓN / MODELO A ESCALA / PLATAFORMA REAL .. 152

6.1.1 6.2

COMPARATIVA BANDA MEDIA: SIMULACIÓN / MODELO A ESCALA / PLATAFORMA REAL 156

6.2.1 6.3

ANALISIS BANDA BAJA................................................................................................. 154 ANALISIS BANDA MEDIA.............................................................................................. 158

VALIDACIÓN DE RESULTADOS POR COMPARACIÓN ........................................................... 160

6.3.1

HITOS TEMPORALES. ................................................................................................... 161

6.3.2

ANTENA BANDA BAJA. ................................................................................................ 162

6.3.3

ANTENA BANDA MEDIA .............................................................................................. 163

CAPÍTULO 7: CAMPOS ELECTROMAGNETICOS: SIMULACIONES VS MEDIDAS .... 166

XXI

INDICE

7.1

SIMULACIONES ELECTROMAGNÉTICAS............................................................................... 166

7.2

RESULTADOS ....................................................................................................................... 166

7.2.1

BANDA BAJA ................................................................................................................ 167

7.2.2

BANDA MEDIA ............................................................................................................. 169

7.2.3

BANDA ALTA ................................................................................................................ 170

7.3

DISCUSIÓN ........................................................................................................................... 172

CÁPITULO 8: CONCLUSIONES Y LINEAS DE TRABAJO FUTURAS .......................... 174 8.1

CONCLUSIONES ................................................................................................................... 174

8.2

LINEAS FUTURAS ................................................................................................................. 177

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................ 180

XXII

INDICE

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Tipos de radiación. .............................................................................................................. 5 Figura 2. Antena rómbica. ................................................................................................................. 28 Figura 3. Antena terminada en V’s. ................................................................................................. 28 Figura 4. Antena de abanico............................................................................................................. 28 Figura 5. Monopolo cónico................................................................................................................ 28 Figura 6. Antena de hilo. ................................................................................................................... 35 Figura 7. Antenas de hilo. ................................................................................................................. 35 Figura 8. Array de 4 antenas de hilo. .............................................................................................. 35 Figura 9. Doble abanico. ................................................................................................................... 37 Figura 10. Propagación HF con zona de silencio.......................................................................... 39 Figura 11.Antena de banda ancha de HF ...................................................................................... 40 Figura 12. Monopolo “bifolded” ........................................................................................................ 40 Figura 13. Antena de cuatro elementos al alrededor del mástil de un buque. ......................... 41 Figura 14. Modelo a escala de uno de los elementos alrededor del mástil. ............................. 41 Figura 15. Impedancia de carga al final de una línea de transmisión........................................ 49 Figura 16. Medidas de reflexión y transmisión. ............................................................................. 52 Figura 17. Esquema de un analizador de redes básico. .............................................................. 53 Figura 18. Esquema del sistema de interconexión de banda ancha de HF.............................. 60 Figura 19 Salida banda baja. ............................................................................................................ 61 Figura 20 Salida banda media. ........................................................................................................ 61 Figura 21 Salida banda media.......................................................................................................... 62 Figura 22 Medida VSWR a la entrada del triplexor ....................................................................... 62 Figura 23. Detalle de las cuadriculas de las cubiertas 06 y 05. .................................................. 66 Figura 24. Banda baja: medida de niveles de E y H en cubierta 05 a 2 MHz. ......................... 68 Figura 25. Banda media: medida de niveles de E y H en cubierta 05 a 12 MHz. .................... 68 Figura 26. Banda alta: medida de niveles de E y H en cubierta 05 a 17 MHz. ........................ 68 Figura 27 Látigo abatible en polarización vertical. ........................................................................ 71 Figura 28 Látigo en polarización vertical. ....................................................................................... 72 Figura 29 Diagrama de bloques del sistema transceptor para cada látigo. .............................. 73 Figura 30 VSWR del látigo abatible................................................................................................. 75 Figura 31 VSWR del látigo vertical. ................................................................................................. 76 Figura 32 Diagramas de radiación de un elemento de corriente eléctricamente corto en los planos E y H. ....................................................................................................................................... 78 Figura 33. Esquema del procedimiento de medida. ..................................................................... 81 Figura 34 Diagramas de radiación campo lejano plano H. .......................................................... 84 Figura 35. Medida a primera hora del día, con el terreno humedecido. ................................... 98 Figura 36. Medida a medio día, terreno más seco........................................................................ 98 Figura 37. Coeficiente de reflexión del látigo de HF en espacio abierto. .................................. 99 Figura 38. Model PE4219 ............................................................................................................... 101 Figura 39. Medida VSWR látigos a escala. .................................................................................. 104 XXIII

INDICE

Figura 40. Medida VSWR látigo a escala en cámara anecoica. ............................................... 105 Figura 41. Comparativa del látigo a escala sin y con barniz. .................................................... 107 Figura 42. Vista general de un modelo de buque tipo LHD. ...................................................... 111 Figura 43. Vista general de un modelo de buque tipo LHD ....................................................... 112 Figura 44. Esquema de las antenas de HF transceptoras en el modelo. ............................... 113 Figura 45. Vista general de la antena banda baja de HF. ......................................................... 116 Figura 46. Detalle de la alimentación de la antena banda baja de HF. ................................... 116 Figura 47. S11 de la antena banda baja de HF. ........................................................................... 117 Figura 48. VSWR de la antena banda baja de HF. ..................................................................... 117 Figura 49. Vista general de la antena banda media de HF. ...................................................... 119 Figura 50. S11 de la antena banda media de HF. ........................................................................ 120 Figura 51. VSWR de la antena banda media de HF. ................................................................. 120 Figura 52. Esquema de las antenas de HF instaladas en el modelo a escala. ...................... 128 Figura 53. S11 de la antena de banda baja del modelo a escala. ............................................. 134 Figura 54. VSWR de la antena de banda baja del modelo a escala. ....................................... 135 Figura 55. Evolución de la VSWR de la antena de banda media durante el ajuste............... 139 Figura 56. S11 de la antena de banda media del modelo a escala. .......................................... 140 Figura 57. VSWR de la antena de banda media del modelo a escala. .................................... 140 Figura 58. Plano de fabricación de la antena de banda baja. ................................................... 143 Figura 59. S11 de la antena de banda baja del modelo real. ...................................................... 146 Figura 60. VSWR de la antena de banda baja del modelo real. ............................................... 147 Figura 61. Plano de fabricación de la antena de banda media. ................................................ 148 Figura 62. S11 de la antena de banda media del modelo real. .................................................. 151 Figura 63. VSWR de la antena de banda media del modelo real. ............................................ 151 Figura 64. VSWR de la antena de banda baja. ........................................................................... 153 Figura 65. S11 de la antena de banda baja. .................................................................................. 153 Figura 66. VSWR de la antena de banda media. ........................................................................ 157 Figura 67. S11 de la antena de banda media. ............................................................................... 158 Figura 68. Comparativa de la VSWR de la antena de banda baja con y sin red de adaptación. ........................................................................................................................................ 163 Figura 69. Medidas y simulación de niveles en la cubierta 05 a 2 MHz. ................................. 168 Figura 70. Medidas y simulación de niveles en la cubierta 05 a 12 MHz. ............................... 170 Figura 71. Medidas y simulación de niveles en la cubierta 05 a 17 MHz. ............................... 171

XXIV

INDICE

ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS

Fotografía 1. Vista general de una Fragata F-100. ....................................................................... 12 Fotografía 2. Vista Fragata F-100 desde popa. ............................................................................. 12 Fotografía 3. Vista Fragata F-100 desde proa............................................................................... 13 Fotografía 4. Vista general del “JUAN CARLOS I” ....................................................................... 14 Fotografía 5. Detalle de los mástiles del “JUAN CARLOS I” ....................................................... 14 Fotografía 6. Látigo abatible en posición vertical. ......................................................................... 32 Fotografía 7. Látigo abatible en posición horizontal. .................................................................... 32 Fotografía 8. Doble látigo. ................................................................................................................. 34 Fotografía 9. Doble látigo con varias alimentaciones. .................................................................. 34 Fotografía 10. Doble abanico. .......................................................................................................... 37 Fotografía 11. Antena NVIS.............................................................................................................. 39 Fotografía 12. Perfil de la plataforma con las distintas cubiertas. .............................................. 65 Fotografía 13. Vista general de las antenas objeto de la medida. ............................................. 66 Fotografía 14. Situación de las antenas en la plataforma naval. ................................................ 72 Fotografía 15. Unidad móvil en la costa, con diversas antenas receptoras desplegadas. ..... 79 Fotografía 16. Visión directa con la unidad a medir. .................................................................... 80 Fotografía 17. Antena receptora pasiva de HF de 5 metros. ...................................................... 96 Fotografía 18. Antena receptora activa de HF de 1.12 metros. .................................................. 96 Fotografía 19. Montaje de la antena de látigo. .............................................................................. 97 Fotografía 20. Masa de la antena de látigo. ................................................................................... 98 Fotografía 21. Sin mecanizar. ........................................................................................................ 101 Fotografía 22. Mecanizado. ............................................................................................................ 101 Fotografía 23.Conector SMA. ......................................................................................................... 102 Fotografía 24. Montaje del conector con el tubo ya mecanizado y debidamente soldado. .. 102 Fotografía 25. Látigo a escala con macarrón retráctil. ............................................................... 102 Fotografía 26. Detalle del montaje final en el plano de masa. .................................................. 103 Fotografía 27. Montaje para la medida en la cámara anecoica. ............................................... 106 Fotografía 28. Clase WASP............................................................................................................ 110 Fotografía 29. Clase WASP............................................................................................................ 110 Fotografía 30. Clase MISTRAL. ..................................................................................................... 110 Fotografía 31. Clase JUAN CARLOS I. ........................................................................................ 110 Fotografía 32. Modelo del LHD de China. .................................................................................... 110 Fotografía 33. LHD de Argelia........................................................................................................ 110 Fotografía 34. Modelo a escala...................................................................................................... 124 Fotografía 35. Apertura en la banda de babor para el cableado de las antenas. .................. 124 Fotografía 36. Oxidación en la maqueta....................................................................................... 125 Fotografía 37. Proceso de saneado de la maqueta. ................................................................... 126 Fotografía 38. Proceso de saneado de la maqueta. ................................................................... 126 Fotografía 39. Montaje de los látigos a escala. .......................................................................... 129 Fotografía 40. Detalle de conjunto con los cuatro látigos de HF montados. .......................... 130 XXV

INDICE

Fotografía 41. Antena transceptora de doble látigo. Banda alta de la banda ancha............. 131 Fotografía 42. Montaje a escala de la antena de banda baja. .................................................. 133 Fotografía 43. Montaje en la maqueta de la antena de banda baja. ........................................ 133 Fotografía 44. Montaje a escala de la antena de banda media. ............................................... 136 Fotografía 45. Montaje de la antena de banda media en la maqueta. .................................... 137 Fotografía 46. Detalle de la alimentación de banda media. ...................................................... 138 Fotografía 47. Vista general de la antena ya instalada en la plataforma. ............................... 144 Fotografía 48. Perspectiva desde la alimentación hacia la popa, al mástil central. .............. 144 Fotografía 49. Detalle de la alimentación, vista de popa hacia proa. ...................................... 145 Fotografía 50. Detalle del anclaje de popa de la antena al mástil central.. ............................. 145 Fotografía 51. Ubicación de la antena banda media respecto al resto del buque. ................ 149 Fotografía 52. Vista general de la antena de banda media, desde popa hacia proa. ........... 149 Fotografía 53. Detalle de la alimentación de la antena banda media. ..................................... 150 Fotografía 54. Superestructura sin los triángulos instalados. ................................................... 178 Fotografía 55. Superestructura con los triángulos ya instalados. ............................................. 179

NOTA: Todas las fotografías empleadas en el presente documento que no están referenciadas,

son

cortesía

del

CEMEDEM

(Centro

de

Estudios

y

Medidas

Electromagnéticas) de la Armada Española, centro en el cual desempeño mis funciones desde el año 2005.

XXVI

INDICE

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Principales características de las antenas de HF. ......................................................... 29 Tabla 2. Comparativa de las características de antenas a bordo. ............................................. 31 Tabla 3. Comparación de ganancias de varios dipolos sin apenas acoplos............................. 36 Tabla 4. Comparativa de las distintas normativas para radiación en la banda de HF. ........... 58 Tabla 5. Comparativa niveles campos electromagnéticos incluyendo el STANAG 2345 MEDSTD (Edición 4).......................................................................................................................... 59 Tabla 6. Equipos de medida para RADHAZ-HERP. ..................................................................... 64 Tabla 7. Resumen de las medidas de la VSWR de los látigos (adimensional). ....................... 82 Tabla 8. Relación sistema completo / modelo a escala. .............................................................. 92 Tabla 9. Sistema escala completa o actual. ................................................................................... 94

XXVII

XXVIII

ACRONIMOS

ACRONIMOS

AIS

Automatic Identification System

ALE

Automatic Link Establishment

ATU

Antenna Tuning Unit

BAC

Buque de Aprovisionamiento en Combate

BAM

Buque de Acción Marítima

BB

Broad Band

BRASS

Broadcast and Ship-Shore System

BUI

Buque, Unidad o Instalación

CATR

Compact Antenna Test Ranges

CS

Coastal Surveillance

CW

Continuous Waveform

DGPS

Differential Global Position System

DSC

Digital Selective Calling

DUT

Device Under Test

ECCM

Electronic Counter-CounterMeasures

ECM

Electronic Countermeasures

EED

Electro Explosive Device

EMA

Estado Mayor de la Armada

EMC

Electromagnetic Compatibility

EMCON

Emissions Control

EMI

Electromagnetic Interference

EMR

Electro Magnetic Radiation

ESM

Electronic Support Measures

FM

Frecuencia Modulada

GHz

GigaHercio

GMDSS

Global Maritime Distress and Safety System

GPIB

General Purpose Interface Bus

GPS

Global Position System

HEMCUVE

Hybrid Electromagnetic Code University of Vigo and Extremadura

HERF

Hazards of Electromagnetic Radiation to Fuel

HERO

Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance

XXIX

ACRONIMOS

HERP

Hazards of Electromagnetic Radiation to Personnel

HF

High Frecuency

ICNIRP

International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection

IFF

Identification, friend or foe

IMM

International Maritime Mobile

JP

Jet Propulsion

LAMPS

Light Airbone Multi-Purpouse System

LF

Low Frecuency

LHD

Landing Helicopter Dock

LINK 11

Fast HF Automatic Link STANAG 5511

LINK 16

High Capacity ECM Resistant STANAG 5516

LPA

Logo-Periodic Antenna

LPI

Low-probability-of-intercept

MF

Medium Frecuency

MRL

Maritime Rear Link

NATO

North Atlantic Treaty Organization

NAV

Navegación y vigilancia de superficie

NB

Narrow Band

nm

Nautical mile

NSA

NATO Standardization Agency

NVIS

Near-Vertical Incident Skywave

OATS

Open-Area Test Sites

OWF

Optimum Working Frequency

PAR

Precision Approach Radar

PIRE

Potencia Isotrópica Radiada Equivalente

RADHAZ

RADiation HAZards

RCS

Radar Cross Section

RF

Radiofrequency

ROE

Relación de Onda Estacionaria

RX

Recepción

SAAS

Surface and Air Surveillance

SACOMAR

Red de manejo de mensajes para la Armada Española

SATCOM

Satellite Communications

SECOMSAT Sistema Español de Comunicaciones Militares por Satélite SHF

Super High Frequency

XXX

ACRONIMOS

SMA

Servicio Móvil Aeronáutico

SMN

Sistema de Mando Naval

SOTL

Short Open Through Line

SSC

SPAWAR Systems Center

STANAG

Standardization Agreement

TACAN

Tactical air navigation system

TOA

Take-off angle

TRL

Through Reflected Line

TRX

Transmisión y Recepción

TV

Televisión

TX

Transmisión

UE

Unión Europea

UHF

Ultra High Frequency

VLF

Very Low Frequency

VSWR

Voltage Standing-Wave Radio

XXXI

XXXII

INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

Antes de nada, es necesario realizarse una pregunta, ¿qué es un barco?, la respuesta ira condicionada a la persona a la que se la haga, no sería la misma para un pescador, un turista de un crucero o un militar. Incluso sólo entre militares, la respuesta sería diferente, nunca obtendríamos un consenso si preguntásemos a un marino de guerra, a un ingeniero militar, a un infante de marina o a un miembro de la caballería. Un buque puede ser definido como cualquier construcción capaz de flotar en el agua y que se utiliza para el transporte, ya sea de mercancías o de personas. Si se lleva a cabo una búsqueda más formal y rigurosa, el diccionario de la Real Academia de la Lengua Española lo define como: “Embarcación (vehículo capaz de navegar por el agua propulsado por remo, vela o motor) de estructura cóncava y, generalmente, de grandes dimensiones”. Dentro de los múltiples tipos de barcos encontramos los buques de guerra, que se podrían definir como plataformas navales para funciones militares. Considerarlos única y exclusivamente como buques con armas no sería correcto, ya que como consecuencia del entorno tecnológico en que nos encontramos hoy en día, dichos buques estarían ciegos y serían totalmente vulnerables si no dispusieran de la capacidad de detectar e identificar al enemigo. Asimismo, es indispensable una comunicación fluida con el mando y otras unidades para poder emprender acciones, así como para para evitar ser detectado. Todo esto es posible debido a los ojos y los oídos del barco, que no son otros que una multitud de sistemas y sensores que interaccionan con el exterior principalmente mediante antenas. Ante las peculiaridades de los sistemas y sensores del mundo militar, así como el poco conocimiento del mismo que hay en el entorno civil, es necesario describirlos previamente, por lo que se lleva a cabo una introducción a las comunicaciones militares y los sistemas electrónicos que implementan abordo, profundizando más en

1

INTRODUCCIÓN

las comunicaciones en la banda de Alta Frecuencia (High Frequency, HF), al estar implementadas en todo tipo de plataformas navales, tanto militares como civiles. Un buque de guerra es el ejemplo más complejo para una plataforma desde el punto de vista electromagnético. Para poder llevar a cabo sus cometidos, en un espacio limitado han de ser capaces de convivir sistemas que trabajan desde kilohercios hasta gigahercios, además de equipos receptores sumamente sensibles con transceptores capaces de transmitir megavatios de potencia. Para entender el contexto electromagnético que nos atañe, en los siguientes capítulos se describirán los sistemas radiantes de un buque, centrándose en los sistemas electrónicos exteriores. No obstante, hay que decir que intentar abarcar todos los casos de sistemas, antenas y sensores a bordo de un barco militar es inviable, por lo que es necesario centrarse y acotar un tipo de sistema. En esta Tesis nos hemos decantado por los sistemas de comunicaciones en la banda de HF (2 a 30 MHz), ya que son comunes a todos los buques militares y civiles de porte mediano en adelante, pudiéndose aprovechar el contenido de esta Tesis también en el ámbito civil. Centrándonos en las antenas de HF, es necesario realizar un barrido completo por el estado del arte actual, tanto en las antenas de HF como en las plataformas navales militares que las integran. Debido a la elevada complejidad mencionada en los párrafos anteriores, el diseño del entramado electromagnético de un buque ha de incorporarse desde las primeras etapas de definición de la estructura. Este diseño no se ciñe exclusivamente a la selección del emplazamiento de las distintas antenas y sensores abordo (que como se verá más adelante ya es de por sí una tarea ardua), sino que es necesario ser capaces de integrar todos estos sistemas de manera que presenten un comportamiento adecuado a las funciones que han de acometer. Por ejemplo, un sistema de comunicaciones

necesita

ser

capaz

de garantizar

el

enlace

independientemente del rumbo del buque, es decir, en cualquier posición y condición, por lo que no debe de tener zonas ciegas o de fallo de cobertura (diagrama de radiación). Un sistema de guerra electrónica debe de ser capaz de cumplir sus funciones sin interferir los propios sistemas embarcados, y viceversa.

2

INTRODUCCIÓN

Ciñéndonos

exclusivamente

al

emplazamiento

de

antenas

y

sensores,

habitualmente es necesario cumplir restricciones estrictas en este sentido. Las antenas no pueden situarse sobre cualquier región de la superestructura. Así, por ejemplo, los látigos de comunicaciones de HF no pueden estar dispuestos en las inmediaciones de una cubierta de vuelo en posición vertical, sino que han de poderse abatir o bien han de estar alejados lo máximo posible de la zona de vuelo. Una solución es acercar estas antenas a la superestructura, mejorando la seguridad en operaciones de vuelo. No obstante, esto a menudo empeora el comportamiento electromagnético de la antena desde el punto de vista de la impedancia de entrada y la Relación de Onda Estacionaria (ROE) o Voltage Standing Wave Ratio (VSWR), derivando además en la aparición de zonas ciegas de cobertura y altos niveles de radiación en lugares transitados de la plataforma. Y es que, debido a la interacción con la propia superestructura del barco, el comportamiento de las antenas es función del lugar en el que se ubican así como del resto de elementos que las rodean. Lo anterior se cumple especialmente en bajas frecuencias (como es el caso de la banda de HF que nos ocupa), ya que en esta banda la longitud de onda es comparable al tamaño del buque, por lo que el entorno completo actúa como antena. Desde mediados de los años 40 hasta principios del siglo veintiuno, todo lo relacionado con el diseño e implementación de antenas de HF navales se hacía mediante modelado a escala: se fabricaba un modelo a escala de la plataforma y de la antena a diseñar y se iba variando su ubicación a bordo hasta llegar al emplazamiento óptimo, teniendo en cuenta todas las variables en cuanto a compatibilidad y prestaciones mencionadas anteriormente. En esta Tesis, partiendo del diseño de un sistema de antenas de banda ancha en HF para una plataforma naval realizado mediante software de simulación, utilizado para ello el programa de análisis electromagnético de propósito general M3HEMCUVE (Hybrid ElectroMagnetic Code of the Universities of Vigo and Extremadura) [1], se han llevado a cabo medidas sobre el sistema real finalmente instalado sobre la plataforma. Esto nos ha permitido realizar la comparativa entre los resultados de diseño del simulador, los resultados obtenidos de las medidas en cámara anecoica sobre una maqueta a escala (lo que sería el método tradicional de

3

INTRODUCCIÓN

diseño), y las medidas realizadas sobre el sistema real instalado en el buque. Se trata de una aportación muy novedosa y de sumo interés de cara a la validación del procedimiento de diseño propuesto, basado en computación numérica sobre modelos virtuales, lo que permite reducir enormemente los tiempos de diseño y por lo tanto los costes. Es preciso mencionar que esta aportación sólo ha sido posible gracias a la estrecha colaboración y los recursos de la Armada Española, propietaria del buque y responsable último de su fabricación. Para acometer los contenidos mencionados en el párrafo anterior, con las antenas ya diseñadas e instaladas sobre la plataforma, es necesario ser capaces de medir, sus principales características. En primer lugar, el diagrama de radiación, para lo cual se propone un método de medida que pueda llevarse a cabo sobre las antenas instaladas a bordo. Esto nos permitirá además determinar de qué modo afecta al resultado la ubicación de las mismas en la plataforma. En segundo lugar es preciso medir la impedancia de entrada, obteniendo a partir de ella el VSWR. Por último, hay que tener en cuenta los riesgos que generan las radiaciones electromagnéticas (RADHAZ), que se pueden clasificar como sigue [2]: •

Para el combustible transportado a bordo (Hazards of Electromagnetic Radiation to Fuel, HERF).

•

Para la propia munición del buque (Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance, HERO)

•

Para el personal que opera en el mismo (Hazards of Electromagnetic Radiation to Personal, HERP).

•

Para los sistemas electrónicos de seguridad critica.

Los sistemas transmisores instalados a bordo generan radiación electromagnética no ionizante, es decir, aquella cuya energía es demasiado baja para ionizar la materia. Las radiaciones no ionizantes se corresponden a aquellas fuentes emisoras que trabajan desde 0 Hz (campos estáticos) hasta frecuencias de 300 GHz. Por el contrario, las ionizantes son aquellas que poseen la energía suficiente como para liberar electrones de los átomos, alterando los enlaces), véase Figura 1 [3].

4

INTRODUCCIÓN

Figura 1. Tipos de radiación.

En esta Tesis, nos centraremos en los riesgos para el personal (HERP), al ser comunes para cualquier tipo de barco, no solo de guerra. Con ese fin, se lleva a cabo un análisis de la normativa (nacional, europea, militare, tanto para público en general como para los trabajadores) que regula los niveles de exposición a los campo electromagnéticos no ionizantes. Estas normativas se aplicarán en el rango de HF, para lo cual será preciso primero desarrollar el procedimiento que permita poder llevar a cabo la medida de los campos electromagnéticos generados por un sistema de comunicaciones en la banda de HF. Los resultados de verificación de niveles reales, obtenidos a partir de las medidas, se compararán con los resultados proporcionados por la simulación electromagnética, con propósito de validar simulaciones con medidas reales sobre la plataforma real. En resumen, se llevarán a cabo todas las etapas correspondientes al diseño de antenas de comunicaciones de HF, desde el diseño a la integración en la plataforma, desarrollando métodos de medida que permitan validar los resultados de la simulación. Así, se lleva a cabo el diseño mediante M3-HEMCUVE, se comparan los resultados proporcionados con el método tradicional de modelado mediante maquetas a escala, y finalmente se comparan los anteriores resultados con el sistema implementado sobre una plataforma real. Se desarrolla el procedimiento de medida y se aplica a la medida de diagramas de radiación para antenas navales así

5

INTRODUCCIÓN

como se simulan los niveles de campos electromagnéticos producidos por las antenas diseñadas y se desarrolla un método para poder medir los mismos abordo, pudiéndose validar los resultados obtenidos mediante las medidas reales a bordo de la plataforma objeto de análisis. Lo cual nos permite establecer los riesgos para las personas debido a los campos electromagnéticos con la normativa en vigor.

6

OBJETIVOS

OBJETIVOS

Los objetivos de esta Tesis abarcan todos los aspectos referentes a las antenas de comunicaciones en HF en el ámbito naval: diseño (impedancia de entrada), diagramas de radiación y niveles de campo electromagnético. •

Niveles de campo electromagnético: Para poder asegurar la seguridad del personal a bordo de un buque frente a los riesgos generados por los campos electromagnéticos, hay que conocer los niveles de campo a bordo debidos a cada sistema, con el fin de poder identificar las zonas en las que se superan los límites permisibles acordes a la normativa en vigor. Se realiza un análisis completo de la normativa, tanto civil (nacional y europea) como militar, que fija los niveles permisibles para las personas. Centrándonos en los sistemas de comunicaciones en la banda de HF, se desarrolla y se aplica un procedimiento de medida para obtener los valores en campo cercano de los campos electromagnéticos, llevándose a cabo simulaciones de los mismos mediante el programa de simulación electromagnética M3-HEMCUVE. Se pretende poder determinar las zonas que implican un riesgo paras las personas y a su vez validar el software de simulación, contrastando sus resultados con medidas reales.

•

Diagramas de radiación: es necesario medir el diagrama de radiación de las antenas instaladas; nos centraremos en las antenas de comunicaciones de HF naval, ya que las llevan todo tipo de barcos (civiles incluidos). A la frecuencia de trabajo todo el barco se comporta como antena. Se efectúa un análisis de los diversos métodos de medida existentes. Ante la ausencia de uno que sea aplicable a nuestras necesidades, se desarrolla en esta Tesis un procedimiento que permita comprobar las posibles zonas de fallo de cobertura.

7

OBJETIVOS

•

Diseño de antenas: se lleva a cabo una comparativa del método tradicional de diseño de antenas de HF en plataformas navales (modelado a escala) frente al diseño mediante software (empleando para ello el programa M3HEMCUVE y modelos virtuales tanto de las antenas como de la plataforma). Como principal aportación, se validará este procedimiento de diseño de sistemas basado en software a través de su puesta en práctica sobre plataformas reales, pudiendo llevar a cabo una comparativa del diseño virtual con los resultados medidos sobre las plataformas y los sistemas finalmente construidos, y validando de esta forma el uso de software de simulación para esta aplicación en un entorno totalmente real.

8

APORTACIONES DE ESTA TESIS

APORTACIONES DE ESTA TESIS

En el entorno electromagnético todo se puede simular, pero es necesario medir y validar. Esta Tesis abarca todo lo relacionado con antenas de comunicaciones de HF y las peculiaridades del trabajo en una plataforma naval. La mayor aportación es el haber podido realizar todos los pasos, incluyendo el diseño mediante simulación, el desarrollo de procedimientos de medida, y la aplicación de ambos sobre una plataforma real de la máxima complejidad. Más en detalle, a continuación se recoge el desglose de las aportaciones acontecidas durante el presente trabajo de Tesis: •

Recopilación de sistemas de comunicaciones militares: una plataforma militar incorpora multitud de sistemas y sensores, para cubrir muy variopintas misiones, por lo tanto se lleva a cabo un desglose completo de los sistemas que se implementan, tanto transmisores como receptores, incluyendo las comunicaciones exteriores e interiores. Dentro de los sistemas de comunicaciones se engloban, además de los de comunicaciones, los de navegación y armamento. Hay tal variedad que es inviable abarcar todos. Con el fin de centrarnos en uno, nos decantamos por el más implantado en todas

las

plataformas

navales,

tanto

civiles

como

militares:

las

comunicaciones en HF. •

Antenas de HF: se lleva a cabo un análisis del estado del arte de las antenas de HF navales, con el fin de analizar las tendencias actuales en el diseño de este tipo de antenas.

•

Análisis de la normativa relativa a riesgos de radiación electromagnética para las personas: todos los sistemas transmisores mencionados en los anteriores puntos son fuentes emisoras de radiación electromagnética (ElectroMagnetic Radiation,

EMR)

confinados en un espacio mínimo (superestructura del

buque). Estas fuentes producen un tipo de riesgo denominado RADiation HAzards, o RADHAZ, generando radiación electromagnética no ionizante, es decir, radiación cuya energía es demasiado baja para ionizar la materia. Se corresponden con aquellas fuentes emisoras que trabajan desde 0 Hz

9

APORTACIONES DE ESTA TESIS

(campos estáticos) hasta frecuencias de 300 GHz. Por el contrario, las ionizantes son aquellas que poseen la energía suficiente como para liberar electrones de los átomos, alterando los enlaces. Es necesario saber qué los niveles de exposición para las personas están regulados por ley. Por este motivo se lleva a cabo un análisis muy detallado de la normativa de obligado cumplimiento a este respecto en España y Europa, actualizada a día de hoy, e incluyendo la normativa militar de la OTAN (Organización de Tratado del Atlántico Norte). •

Metodología de medida: con el fin de caracterizar de forma completa un sistema radiante (antena), es necesario ser capaces de medir ciertos parámetros. Hay procedimientos múltiples para su medida en condiciones controladas (laboratorios, cámaras anecoicas…). Ahora bien, esa antena, al instalarla en un barco, deja de comportarse tal como lo haría en espacio libre (o en cámara anecoica), ya que a frecuencias de HF el propio barco en su totalidad se convierte en antena. Aparece la problemática de cómo medir una plataforma de gran porte en el entorno marino. En base a esto se lleva a cabo una recopilación de métodos de medida para los parámetros más característicos de una antena, que son: impedancia de entrada, diagrama de radiación y niveles de campo electromagnético radiado.

Las aportaciones en este último punto pueden desglosarse a su vez del siguiente modo: •

Medida de impedancia de entrada: se lleva a cabo la medida de antenas de HF navales y se comprueba cómo el comportamiento de estas antenas se ve afectado por el entorno en el que se ubiquen dentro de un buque. Se comparan las medidas de una antena real, implementada en una plataforma naval, con el diseño efectuado mediante simulación y el modelo a escala en maqueta.

•

Medida de campos electromagnéticos: se desarrolla una metodología que permite efectuar medias en campo cercano de los campos electromagnéticos producidos sistemas de HF embarcados. Se comparan las medidas realizadas con los niveles obtenidos mediante simulación.

10

APORTACIONES DE ESTA TESIS

•

Medida de diagramas de radiación: se idea un método de medida para las antenas instaladas a bordo de un barco y se implementa dicho método aplicado a la medida de antenas reales de HF, analizando ventajas e inconvenientes.

•

Verificación HERP: es necesario identificar o delimitar abordo las zonas que pueden presentar riesgos para las personas desde el punto de vista de campos electromagnéticos. Con los niveles obtenidos mediante las medidas, se proporciona una verificación para identificar las zonas en las que se superan

los

niveles

máximos

fijados

por

la

normativa

aplicable.

Adicionalmente se comparan estas zonas con las obtenidas a partir de las simulaciones.

11

12

ESTRUCTURA DE LA TESIS

ESTRUCTURA DE LA TESIS

La memoria de esta Tesis Doctoral se ha dividido en los siguientes capítulos. En el Capítulo 1 se lleva a cabo una exposición en detalle de las comunicaciones militares, con el fin de entender las peculiaridades de una plataforma militar en este sentido. El Capítulo 2 lleva a cabo un análisis de las antenas de HF, centrándose en las de aplicación naval y realizando un barrido por el estado del arte de las antenas de HF navales y de los sistemas de comunicaciones de HF de las plataformas más modernas. El Capítulo 3 se centra en todo lo relacionado con las medidas reales de los principales parámetros de una antena de HF sobre una plataforma naval: impedancia de entrada, medidas en campo cercano de los niveles de campo electromagnético y análisis normativo de la legislación que fija los niveles máximos permisibles, y medidas de los diagramas de radiación de dichas antenas. El Capítulo 4 se centra en el modelado de las antenas de banda ancha en HF sobre un buque tipo Landing Helicopter Dock (LHD). Se introduce la teoría del modelado a escala en campos electromagnéticos, se aplica esta teoría a un látigo de HF, se lleva a cabo el diseño de dos antenas de banda ancha para un buque LHD mediante el software M3–HEMCUVE, y esas mismas antenas se montan sobre un modelo a escala de la plataforma. En el Capítulo 5 se ilustra la implementación de las antenas diseñadas mediante software sobre un buque LHD, llevando a cabo una descripción del sistema instalado. En el Capítulo 6 se analizan los resultados de la impedancia de entrada de las antenas del capítulo anterior, llevando a cabo una comparativa con los resultados del diseño de la simulación, las medidas en el modelo a escala, y las medidas reales realizadas sobre la plataforma. El Capítulo 7 incluye la comparativa entre las simulaciones de los campos electromagnéticos radiados (RADHAZ) de las antenas diseñadas en el Capítulo 5 y las medidas de niveles de los campos electromagnéticos obtenidos en el Capítulo 3; seguidamente se aplica la normativa que fija los niveles máximos permisibles para las personas con el fin de identificar las zonas de riesgo a bordo. En el Capítulo 8 se lleva a cabo un análisis de las conclusiones obtenidas en cada caso y se abren líneas de trabajo futuras, todas

0

ESTRUCTURA DE LA TESIS

ellas enfocadas a los sistemas de comunicaciones navales. Finalmente se incluye la bibliografía empleada y se anexan copias de las diversas publicaciones que han surgido de la presente Tesis.

1

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

En el presente Capítulo, se lleva a cabo una descripción de los sistemas radiantes a bordo de un buque de guerra, para poder entender la inmensa complejidad que implica este tipo de plataformas.

1.1 SISTEMAS ELECTRÓNICOS A BORDO DE PLATAFORMAS MILITARES NAVALES

Desde el punto de vista de radiaciones de emisiones electromagnéticas, así como de sistemas radiantes, un buque de guerra es, probablemente, el caso más complejo que nos podemos encontrar. Se trata de una plataforma capaz de trabajar con sistemas y antenas que abarcan desde kilohercios hasta varios gigahercios, así como con potencias de transmisión que superan los Megavatios. Pero no solo hay que tener en cuenta los sistemas transmisores, ya que también se encuentran a bordo todo tipo de receptores y sensores. Dividiremos los sistemas electrónicos a bordo en dos tipos, sistemas exteriores y los de uso propiamente interno. Los sistemas exteriores son aquellos que permiten interrelacionar a la plataforma con el mundo exterior: •

Antenas HF-TX (transmisión), TRX (transmisión y recepción) y HF-RX (recepción)

•

Antenas UHF (Ultra High Frequency)-VHF (Very Low Frequency).

•

Entretenimiento.

•

Antenas SATCOM (SATellite COMmunications).

•

Sistemas de navegación.

•

Radares.

•

Sistemas de contramedidas de comunicaciones y radar.

2

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

•

Sensores.

Seguidamente se enumeran los sistemas fundamentales de uso interno, para servicio interno de la plataforma: •

Distribución de alimentación (corriente).

•

Distribución de datos.

•

Distribución y control de las señales del sistema de navegación desde los equipos fuente (giroscópicas, correderas, o sistema de viento).

•

Teléfonos automáticos y auto excitados.

•

Sistema de comunicaciones interiores por hilo radiante.

•

Sistemas de órdenes con amplificador central y de intercomunicadores.

•

Sistemas de entretenimiento (distribución de televisión y radio).

•

Sistemas de alarmas, seguridad y aviso.

•

Sistemas de órdenes y medidas.

•

Sistemas informáticos y de gestión.

1.1.1 SISTEMAS DE COMUNICACIONES EXTERIORES

Tal y como su propio nombre indica, son aquellos subsistemas que permiten las comunicaciones entre el buque y el exterior. Cubren tanto las bandas de frecuencias militares como civiles, y son capaces de operar con otros Buques Unidad o Instalación (BUIs) a cualquier tipo de distancia para establecer enlace. Para poder prestar este servicio, se dispone de una gran variedad de equipos que permiten la selección del tipo de comunicación óptima para garantizar siempre el enlace, bajo cualquier condición. Además es necesario cumplir la normativa de seguridad en la mar [4]. Por regla general, a modo de ejemplo, un buque es capaz de cubrir los siguientes modos de comunicación: •

Telegrafía.

3

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

•

Telefonía para cualquier distancia.

•

Telefonía para alcance visual y media distancia.

•

Datos para cualquier distancia.

•

LINK-11/22 (Fast HF Automatic Link STANAG 5511) [5] y LINK-16 (High Capacity, Electronic Countermeasures (ECM), Resistant STANAG 5516 [6].

•

SATCOM en audio y datos.

•

ECCM (Electronic Counter-countermeasures), UHF y HF. Capacidad ALE (Automatic Link Establishment) [7] para media y larga distancia.

Para ello, se utilizan los siguientes subsistemas: •

HF banda ancha (HF BroadBand, HF-BB), transceptores.

•

HF banda estrecha (HF NarrowBand, HF-NB) e incluyendo DSC (Digital Service Calling) para transceptores GMDSS (Global Maritime Distress and Safety System) [8].

•

VLF (Very Low Frequency) / LF (Low Frequency) / MF (Medium Frequency) /HF: receptores y distribuidores de antenas activas y pasivas que también son utilizadas en los subsistemas HF -BB y HF-NB.

•

VHF, transceptores IMM (International Maritime Mobile) que incluyen capacidad DSC para GMDSS, Banda Aérea y VHF Táctico.

•

UHF: transceptores.

•

Entretenimiento: televisión, radio, hilo musical...

•

SATCOM: por ejemplo el SECOMSAT (Sistema Español de Comunicaciones Militares por Satélite) de

uso

militar en la banda SHF (Super High

Frequency). •

Otros terminales satélite (INMARSAT B integrado con GMDSS).

Por regla general, todos los subsistemas suelen estar interconectados a un sistema de control integrado, para de esa forma poder llevar a cabo una distribución de las señales y gestión remota de los equipos. Los equipos nunca están todos juntos en un mismo compartimento, al menos se distribuyen en dos compartimentos distintos (radio principal y radio secundaria), o incluso pueden llegar a ser tres (radio auxiliar).

4

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

Para añadir más prestaciones a los sistemas, todos ellos suelen tener la opción de transmisión en claro y cifrado, tanto para comunicaciones internas como externas. Se detallan a continuación las características más destacadas de los anteriores sistemas radio. 1.1.1.1 HF-TX y TRX

El subsistema de transceptores (capaces de transmitir y recibir) se puede dividir en dos clases, en función de las características de los equipos que conforman la cadena de transmisión: •

Transceptores de banda estrecha (HF-NB): son equipos transceptores que pueden transmitir con una potencia desde 100 vatios a 1000 vatios, cubriendo el rango de frecuencias en transmisión, de 2 a 30 MHz, con distintos modos de funcionamiento, tanto en claro como cifrado. Se suelen incluir varios, y al menos dos (siempre redundancia) con opción de GMDSS. Trabajando en recepción son capaces de cubrir el rango desde unos pocos kilohercios hasta 30 MHz. Pueden incorporar el modulo interno de LINK-11/22. Son transceptores de banda estrecha que están dedicados a una antena (látigos principalmente) con Unidad de sintonía Automática, o Automatic Tuning Unit (ATU). Dependiendo de la plataforma, o bien van directos a cada antena a través de una ATU, o bien a una matriz de conmutación en la que se puede variar el conjunto línea de transmisión, ATU y antena asociada a cada transmisor.

•

Transceptores de banda ancha (HF-BB): son sistemas que suelen estar compuestos por varios transceptores con las mismas características que los anteriores, que mediante una serie de combinadores se interconectan a un triplexor o diplexor, dependiendo de si hay tres o dos antenas de banda ancha asociadas a la salida, respectivamente. Estas antenas carecen de ATU y suelen tener redes de adaptación, presentando la ventaja de que varios equipos están interconectados a una sola antena.

5

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

1.1.1.2 HF- RX

El subsistema de recepción de VLF-HF es un conjunto de varios equipos receptores que permiten trabajar sobre varias antenas receptoras. Normalmente combinan antenas activas (mayor rango de frecuencias de trabajo y menores dimensiones físicas) y pasivas. La mayoría cubren el rango de desde un kilohercio hasta 30 MHz, con distintos modos de operación. Tal y como se ha comentado anteriormente, todo está interconectado por un sistema de control integrado, de forma que se puedan gestionar por completo de forma remota. Por necesidades operativas, siempre hay un equipo alternativo que permite suplir a otro que se averíe o quede inoperativo. 1.1.1.3 VHF

Dentro de la banda de VHF, es necesario cubrir una serie de sistemas / servicios mínimos: •

VHF banda aeronáutica, para dar cobertura al SMA (Servicio Móvil Aeronáutico).

•

VHF banda Servicio Móvil Naval.

•

VHF banda de Canales Marítimos Internacionales.

•

VHF banda táctica.

1.1.1.4 UHF

Como mínimo, suele constar de los siguientes componentes: •

Transceptores de UHF con capacidad ECCM.

•

Transceptores de UHF con capacidad de LINK-11 (STANAG 5511 [9]).

•

Sistemas de trunking digital.

6

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

Para los subsistemas de VHF y UHF, los equipos que se emplean para cubrir estas necesidades, trabajan con potencias desde 1 vatio hasta 200 vatios de onda continua (Continuos Wave, CW). En ambos casos, mediante un diplexor distintos equipos suelen ir conectados a una misma antena, para tener redundancia de equipos, pero no de antenas, especialmente por la problemática que implica colocar sobre la superestructura un elevado número de elementos radiantes. 1.1.1.5 ENTRETENIMIENTO

La propia palabra define la aplicación de estos sistemas, que engloban: •

Televisión (TV) / Frecuencia Modulada (FM) con antenas directivas y omnidireccionales.

•

Antena satélite para TV/Radio.

•

Antena satélite para comunicaciones mediante sistemas civiles.

•

Antena de telefonía móvil.

•

Antenas WI-FI.

1.1.1.6

SATCOM

Se pueden encontrar a bordo sistemas de SHF SATCOM con distintos equipos y configuraciones que permiten canales de audio y datos. Los nuevos sistemas proporcionan servicios para redes basados en IP, trabajando en banda X con una PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente) superior a los 60 dBw. Para tener cobertura completa, sobre la superestructura del buque son necesarias, por regla general, dos antenas. Con el fin de poder interoperar con la red civil, incorporan teléfonos satélite comerciales, por ejemplo IRIDIUM [10].

7

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

1.1.1.7 NAVEGACIÓN

Engloba todos los equipos para determinar y transmitir la información necesaria para ayuda a la navegación. Dentro de los sistemas electrónicos para esta función, suele haber (por lo menos): •

Receptores GPS (Global Position System) / DGPS (Differential Global Position System) [11].

•

TACAN (Tactical air navigation system) [12] (962-1213 MHz), la potencia media de un equipo estándar es de 400 vatios.

•

AIS (Automatic Identification System) [13] (161,975 MHz y 162,025 MHz), un equipo estándar que tiene una potencia de salida media de 2 vatios.

1.1.1.8 RADARES

Este campo es de los más extensos y con mayor posibilidad de variantes. Son de gran importancia a bordo, y a su vez suelen ser los que más incidencias, desde el punto de vista electromagnético, generan, como consecuencia de sus potencias de transmisión y frecuencias de trabajo. A continuación, se enumeran algunos tipos con sus potencias y bandas de trabajo para hacerse una idea de la complejidad que implican sobre la plataforma. Cada buque lleva integrado al menos uno de cada tipo, conjuntamente con el resto de sistemas electrónicos; aunque por regla general siempre existe redundancia. Están integrados con el sistema integrado del buque y suelen ser parte del sistema de combate del mismo 1: •

Antena direccional de tiro. o Frecuencia: varios GHz. o Potencia: cientos de Kilovatios.

•

Iluminadores (guiado y seguimiento de misiles).

1

Donde no figuran datos de potencia y frecuencias es debido que son de carácter CONFIDENCIAL o RESERVADO 8

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

o Frecuencia: varios GHz. o Potencia: cientos de Kilovatios. •

Radar de navegación banda I (comercial): o Frecuencia: 9430 MHz ±30 MHz. o Potencia: cientos de Kilovatios.

•

Antenas de IFF (Identification, Friend or Foe): o 1030 MHz y 1090 MHz. o Hay varias a bordo (omnidireccional transponder, omnidireccional backup, omnidireccional interrogator), algunas integradas en radares.

•

Antena direccional LAMPS (Light Airbone Multi-Purpouse System).

•

Antena omnidireccional LAMPS.

•

Antena receptora de sonoboyas.

•

Radar de exploración aérea, como por ejemplo el AN/SPS-49 [14]. o Frecuencia: Banda C.

•

Radar de navegación en la banda militar, como el AN/SPS-55 [14] o Frecuencia: Banda I.

•

Radar 3D SPY (Sistema AEGIS) [15]: o Frecuencia: Bandas E y F.

•

Radar LPI (Low-probability-of-intercept ) como el ARIES [16]: o Frecuencia: Banda I. o Permite distintas configuraciones: CS (Vigilancia Costera –Coastal Surveillance) / NAV (Navegación y vigilancia de superficie) / PAR (Precision Approach Radar) / S (Submarino) / SAAS (Surface and Air Surveillance).

En resumidas cuentas, dentro del apartado de radares tenemos sistemas que van desde unos pocos megahercios hasta varios gigahercios, llegando a potencias de transmisión de varios megavatios. 1.1.1.9 CONTRAMEDIDAS

Se pueden clasificar en pasivas y activas. Las primeras, como el propio nombre indica, únicamente están a la escucha, para lo cual necesitan una serie de antenas 9

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

receptoras. Por el contrario, las activas implican la generación de una transmisión (perturbación), ante una amenaza de cualquier tipo. Las contramedidas están integradas con el sistema de combate del buque para, en caso necesario, actuar sobre el armamento y/o las contramedidas de la plataforma. En función de las frecuencias de trabajo, así como de los sistemas implicados, se diferencian entre contramedidas de comunicaciones y de radar. Las contramedidas de comunicaciones se encargan de la detección, goniometría, clasificación, análisis, seguimiento y registro de las señales de comunicaciones en las bandas de HF, VHF y UHF. La parte activa suele estar compuesta por cinco antenas, una omnidireccional y cuatro sectoriales (directivas) que cubren la banda de UHF/VHF. Las contramedidas de radar se encargan del análisis electromagnético en todas las bandas por encima de comunicaciones, hasta lo que sea necesario (varios gigahercios), con el propósito de explorar, interceptar e identificar emisiones electromagnéticas y localizar (mediante goniometría) sus fuentes con el fin de reconocer amenazas. Se dispone por tanto de varias antenas receptoras pasivas y otras activas que van por encima de la banda de comunicaciones hasta varios gigahercios. En el caso de las activas, éstas son capaces de poner potencia suficiente como para llegar a perturbar a otras unidades, pero, en mayor medida, por proximidad, afectan al resto de sistemas de la propia plataforma donde están ubicadas. Pueden clasificarse a su vez en dos tipos: de apuntamiento electrónico o mecánico. 1.1.1.10 SENSORES

Se disponen de sensores de temperatura y humedad, dirección y velocidad del viento.

10

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

1.1.2 EJEMPLOS DE PLATAFORMAS

En los últimos años (desde el 2001 hasta hoy en día), la Armada Española ha incorporado una serie de buques que tecnológicamente hablando son un salto al futuro. Estos buques son (cronológicamente, por orden de entrada en servicio, desde el 2001 hasta hoy): •

Las cuatro fragatas de la clase “ALVARO DE BAZAN” (F-100).

•

Porta aeronaves “JUAN CARLOS I” (LHD).

•

BAC (Buque de aprovisionamiento en combate) “CANTABRIA”.

•

Los cuatro buques de acción marítima (BAM), y otros dos en fase de construcción.

•

Fragata “CRISTOBAL COLON”, F-105, de la clase F-100 pero con un porcentaje mayor de tecnología nacional.

Las dos clases tecnológicamente más avanzadas, y con más prestaciones, son las fragatas de la clase “ALVARO DE BAZAN” y el “JUAN CARLOS I”. Estos dos buques supusieron un gran salto tecnológico para España.

1.1.2.1 FRAGATA TIPO F-100

Las Fragatas F-100 son un tipo de buque multipropósito, especialmente diseñadas para ser capaces de cubrir los siguientes aspectos [17]: •

Escolta oceánico de tamaño medio.

•

Capacidad de buque de mando y control en un escenario de conflicto, capaz de integrarse en una flota aliada y dar cobertura a fuerzas expedicionarias.

•

Cubrir situaciones de conflicto, tanto en zonas costeras como en alta mar.

•

Elevada capacidad antiaérea.

11

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

A continuación se muestran algunas fotografías (Fotografía 1, Fotografía 2, Fotografía 3) de las fragatas españolas de la clase “ÁLVARO DE BAZÁN”, F-100. Corresponden a los barcos más modernos y con mayor combinación de equipos de los que dispone el Reino de España, así como de las primeras a nivel mundial.

Fotografía 1. Vista general de una Fragata F-100.

Fotografía 2. Vista Fragata F-100 desde popa.

12

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

Fotografía 3. Vista Fragata F-100 desde proa.

1.1.2.2 PORTA AERONAVES DEL TIPO LHD “JUAN CARLOS I”

Es un buque multipropósito (Fotografía 4, Fotografía 5), pues dependiendo de la aplicación que se le quiera dar, es capaz de actuar como portaaeronaves (aviones y helicópteros) y también cubrir funciones de buque de desembarco. Además, lleva a bordo una plana de estado mayor, lo que implica una tercera función como centro de mando.

13

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

Fotografía 4. Vista general del “JUAN CARLOS I”

Fotografía 5. Detalle de los mástiles del “JUAN CARLOS I”

14

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

1.2 COMUNICACIONES NAVALES

Las comunicaciones en España, en el ámbito militar están regladas por parte del Ministerio de Defensa. En el ámbito naval, el Estado Mayor de la Armada, mediante la publicación ACP 176 ESP NAVY SUPP-1(A) [18], describe la organización y los medios que se emplean. La Orden DEF/2639/2015, de 3 de diciembre, por la que se establece la Política de los Sistemas y Tecnologías de la Información y las Comunicaciones del Ministerio de Defensa, recoge que el Ministerio de Defensa dispone de una RED GLOBAL DE TELECOMUNICACIONES compuesta por dos dominios: •

Recursos propios (Sistema de Telecomunicaciones Militares).

•

Recursos externos (dos redes privadas virtuales, una para voz y otra para datos, denominadas de PROPÓSITO GENERAL).

Por lo tanto, en función del servicio que prestan se clasifican en: •

Sistemas de Mando y Control.

•

Sistemas de Propósito General.

Tanto las redes de mando y control como las especificas militares tienen que ser capaces de permitir una interconexión completa: comunicaciones tierra-buque, tácticas

de

fuerza

naval,

tierra-aire,

aire-aire,

buque-aire…,

y

todas

las

combinaciones posibles. Pero no podemos olvidar la interconexión con los sistemas civiles. Para implementar estos sistemas, se dispone de una serie de redes, sistemas y servicios que se enumeran en los siguientes apartados. Todos estos servicios deben estar amparados en la legislación en vigor, especialmente: •

Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias (CNAF) [19], que se encarga de asignar ciertos rangos de frecuencia para el uso del Ministerio de Defensa con fines de seguridad nacional.

•

Real Decreto 123/2017, de 24 de febrero, por el que se aprueba el Reglamento sobre el uso del dominio público radioeléctrico [20], se asigna el marco jurídico en el que el Ministerio de Defensa debe de interrelacionar con 15

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

el espectro radioeléctrico. Con el fin de evitar interferencias, sobre todo a día de hoy, dada la inmensa saturación del espectro radioeléctrico y la existencia de numerosas compañías que pagan por poder usarlo, es especialmente necesario cumplir las normativas en [19] y [20], con todo lo que ello implica, tanto para evitar generar interferencias sobre sistemas externos como para no sufrirlas. 1.2.1 REDES, SISTEMAS Y SERVICIOS

A continuación se muestra un resumen de las redes, sistemas y servicios. En cuanto a las redes de mando y control y redes militares específicas, destacan: •

Redes navales (Armada): o SMN (Sistema de Mando Naval). o SACOMAR: sistema de mensajería interna de la Armada. o BRASS (Broadcast and Ship-Shore System): 

Radiodifusión.



Buque-tierra.

o HF. o Tácticas. o Red de defensa local. o Portuarias. •

Redes internacionales: o NATO (North Atlantic Treaty Organization) o UE (Unión Europea) o Bilaterales. o Conjuntas.

•

Redes de propósito general y redes civiles: o Telefonía fija. o Telefonía móvil. o Satélite. o Redes de datos. o Otros: Servicio Móvil Marítimo. 16

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

1.2.2 COMUNICACIONES TIERRA-BUQUE Y BUQUE TIERRA

1.2.2.1 BROADCAST AND SHIP-SHORE SYSTEM (BRASS)

El sistema permite el intercambio de información clasificada entre los mandos en tierra y las unidades a flote en las bandas de HF, MF y LF. Esta organizado en varios centros de comunicaciones y diversas estaciones radio. 1.2.2.2 COMUNICACIONES TIERRA-BUQUE: RADIODIFUSIÓN

Mediante la Radiodifusión se pueden enviar mensajes a las fuerzas navales de forma rápida y eficaz sin romper el silencio radio. Siendo por lo tanto el principal medio para el envío de información a la flota. 1.2.2.3 COMUNICACIONES BUQUE-TIERRA

Como el propio nombre indica, se definen las comunicaciones entre un buque y una base o unidad de tierra. Hay varios métodos, en función de las frecuencias de llamada, trabajo y respuesta. 1.2.3 COMUNICACIONES TÁCTICAS DE UNA FUERZA NAVAL

Los planes tácticos de comunicaciones para una fuerza naval han de cubrir todos los aspectos de las operaciones que se puedan dar durante su desarrollo, siendo utilizadas para tal propósito las bandas de HF y VHF. 1.2.4 COMUNICACIONES TIERRA-AIRE, AIRE-AIRE, BUQUE-AIRE

Todas las aeronaves deben de seguir el reglamento de Circulación Aérea y regulaciones aeronáuticas en vigor, además de establecer enlace con la red aeronaval de la Armada. Por lo tanto han de cubrirse los circuitos asignados, tanto principales como secundarios acorde a [19]. 17

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

1.2.4.1 COMUNICACIONES DE AERONAVES BASADAS EN LA FUERZA

Todos los buques que se encuentren operando con cualquier tipo de aeronave deben estar siempre a la escucha en las frecuencias de emergencia aeronáuticas de VHF y/o UHF. 1.2.5 COMUNICACIONES PORTUARIAS

Son las que se establecen para permitir el control y la coordinación de distintas unidades y servicios de una localidad, puerto o fondeadero. Adicionalmente, debe cubrirse la red de emergencias (servicios de contraincendios). Implica que han de poderse cubrir circuitos en UHF, VHF IMM y SMN. 1.2.6 REDES ESPECIALES

Adicionalmente, se han adquirido en los últimos años terminales con tecnología TETRAPOL [21]. 1.2.7 COMUNICACIONES CON BUQUES MERCANTES

Las comunicaciones con buques mercantes se han de llevar a cabo por VHF, MF y HF en DSC siguiendo el GMDSS. También vía INMARSAT.

18

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

1.3 RIESGOS DE LAS RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS 1.3.1 INTRODUCCIÓN

Con anterioridad, se han expuesto y/o descrito los equipos que se pueden encontrar a bordo de un buque militar, así como las redes que los integran y los servicios que proporcionan. Ahora es necesario exponer los tipos de riesgos que originan estos equipos sobre: •

Personal (Hazards of Electromagnetic Radiation to Personnel, HERP): La radiación producida por transmisores de alta potencia puede ocasionar daños en las personas cuando se encuentran en las inmediaciones de las antenas transmisoras. En función del tipo de señal (onda continua / pulsada) los efectos son distintos (calor / desgarros). Además, se pueden inducir altos voltajes que produzcan quemaduras.

•

Combustibles (Hazards of Electromagnetic Radiation to Fuel, HERF): Abarca los peligros de que las transmisiones de radiofrecuencia (RF) durante las operaciones de abastecimiento de combustible, puesto que eventualmente podrían llegar a provocar la ignición de los vapores de dicho combustible cuando éste está en contacto con el aire [22].

•

Munición (Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance, HERO): Los dispositivos EEDs (Electro Explosive Devices) se pueden ver afectados por la energía de RF, ya que una corriente inducida, en función del nivel y de la frecuencia, puede provocar el disparo prematuro, la explosión o la inoperatividad de la munición.

•

Sistemas electrónicos de seguridad crítica: como por ejemplo interferencias con equipos y dispositivos médicos electrónicos.

Los riesgos anteriormente indicados pueden generar los siguientes efectos: •

Biofísicos directos: los producidos en el cuerpo humano causados directamente por su presencia en un campo electromagnético, entre ellos [23]:

19

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

•

Efectos térmicos: calentamiento de los tejidos por la absorción de los mismos de energía procedente de los campos electromagnéticos.

•

Efectos no térmicos, como la estimulación de los músculos, de los nervios o de los órganos sensoriales; estos podrían ser perjudiciales.

• •

Corrientes en las extremidades.

Indirectos: aquellos causados por la presencia de un objeto en un campo electromagnético que pueda entrañar un riesgo para la salud o la seguridad, como: •

Interferencias con equipos y dispositivos médicos electrónicos.

•

Riesgo de proyección de objetos ferromagnéticos en campos magnéticos.

•

Activación de dispositivos electro-explosivos.

•

Incendios y explosiones de materiales inflamables.

•

Corrientes de contacto.

1.3.2 HERP

Para la prevención riesgos de las personas, RADHAZ HERP, gobiernos y organismos internacionales han establecido diversas legislaciones y estándares, todos ellos caracterizados por introducir un margen de seguridad para el personal. La inmensa mayoría de estos estándares especifican dos límites distintos: entornos controlados con unos niveles de exposición para el público en ocupacional (trabajadores) y entornos no controlados con unos niveles de exposición para el público en general. La legislación que fija las medidas de protección sanitaria frente a emisiones radioeléctricas en España es el Real Decreto 1066/2001 de 28 de septiembre, que a su vez se basa en los niveles propuestos para el público en general por la Comisión Internacional para la Protección contra la Radiación No Ionizante (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP) de 1998 [24]. En el

20

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

ámbito europeo, la Recomendación del Consejo de Ministros de Sanidad de la Unión Europea de 12 de julio de 1999 [25], adopta los mismos niveles. La directiva 2013/35/UE del Parlamento Europeo y del Consejo de 26 de junio de 2013 [23] establece las disposiciones mínimas de salud y seguridad relativas a la exposición de los trabajadores a los riesgos derivados de los campos electromagnéticos, fijando unos niveles máximos de exposición. Esta directiva europea ha sido transpuesta al ordenamiento jurídico español, mediante su publicación en el R.D. 299/2016 [26] . Contempla, para el ámbito militar, que “Dadas las especificidades de las fuerzas armadas, y para permitirles un funcionamiento y una interoperabilidad efectivos, también en ejercicios militares internacionales conjuntos, los Estados miembros deben aplicar sistemas de protección equivalentes o más específicos, tales como las normas aprobadas internacionalmente, por ejemplo las normas de la OTAN, siempre que se eviten los efectos adversos para la salud y los riesgos para la seguridad”. Los niveles aplicables en el ámbito militar para España se encuentran recogidos en el STANAG (Standardization Agreement) 2345 de la NSA (NATO Standardization Agency) [2] y en el STANAG 1380 E3 RADHAZ NATO Naval Radio and Radar Radiation HAZARD Manual AECP-02 [27]. El 22 de junio de 2015, por Boletín Oficial de Defensa, se implanta en España el STANAG 2345 MEDSTD (Edición 4), que incluye grandes cambios con respecto a su versión anterior. La nueva edición se basa en la IEEE Std C95.1-2345TM -2014.

1.3.3 HERF

Según [22], la posibilidad de ignición de los vapores procedentes del fuel se puede producir durante operaciones de abastecimiento de combustible (del propio buque, de aeronaves, de zodiacs, de armamento…) debido a las señales de RF del ambiente. Estas posibilidades se ven drásticamente reducidas si se toman ciertas premisas: antenas transmisoras fuera de las proximidades de las estaciones de

21

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

abastecimiento, sistemas presurizados, o elección de combustibles en los que las condiciones para la ignición sean muy restrictivas (JP-5, Jet Propulsion). Para que se produzca la ignición de un combustible debido a un arco de RF inducida deben acontecer, de forma simultánea, las siguientes condiciones (lo cual hay que decir que es muy poco probable): •

Mezcla inflamable de aire y combustible.

•

Arco con suficiente energía para producir la ignición.

•

El espacio a través del cual salta el arco debe tener una mínima distancia.

Se aplican una serie de criterios para minimizar la posibilidad de ignición: •

No transmitir con ningún equipo de la aeronave y/o vehículo que está siendo reabastecido, ni de ninguno colindante.

•

No hacer o deshacer ninguna conexión eléctrica, toma de masa estática, conexión de amarre o cualquier otra conexión metálica del vehículo. Hacer las conexiones necesarias antes, y deshacerlas cuando se concluye, evitando manipularlas durante la maniobra de repostaje.

1.3.3.1 RESTRICCIONES DE TRANSMISORES.

Según [22], los radares y sistemas de comunicaciones que trabajan por encima de 225 MHz, y que son capaces de producir iluminaciones directas sobre las áreas de manipulación del combustible con una densidad de potencia de pico de 5 W/cm2 o superior, deben cumplir las siguientes restricciones: •

Cesar la transmisión durante las operaciones de petróleo.

•

Inhibir de la iluminación las áreas en las que se desarrolla el petróleo.

•

Mantener una distancia en la cual la densidad de potencia, desde el transmisor a la zona de petróleo, sea inferior a 5 W/cm2.

Para equipos de comunicaciones que trabajan por debajo de 225 MHz las restricciones son diferentes:

22

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

•

Las antenas que radien 250 vatios o menos, deben ser instaladas a no menos de 15 metros de las zonas de manipulación de combustibles.

•

Para las antenas que radien más de 250 vatios, la distancia mínima a la zona de manipulación de combustibles debe ser tal que la densidad de potencia en esa zona no supere los 0.009 mW/cm2.

Para el cálculo de las distancias se emplean las fórmulas de la ecuación (1) de [22]: 2

D= �

PG 4πPD

(1)

D = distancia (metros). P = potencia transmisora de pico (vatios) G = ganancia de la antena=10

ganancia de la antena en DBi 10

π = 3.14159 (pi). PD = densidad de potencia deseada (W/m2) Si no se puede respetar la distancia de seguridad, ya que el espacio a bordo de una plataforma naval es un bien muy preciado, se efectuará la manipulación en la zona de petróleo con el equipo transmisor apagado.

1.3.4 HERO

En función de la susceptibilidad electromagnética, se clasifica la munición [28] en cuatro clases: •

HERO segura (HERO SAFE).

•

HERO susceptible (HERO SUSCEPTIBLE).

•

HERO no fiable (HERO UNREALIBLE).

•

HERO no segura (HERO UNSAFE).

23

CAPÍTULO 1. COMUNICACIONES MILITARES

En función del tipo de munición, es necesario determinar distancias de seguridad, calcular el entorno de RF, así como generar un plan de equipos que se pueden poner a transmitir en cada situación (Emissions Control, EMCON). En la publicación NAVSEA OP 3565/VOLUME 2 [28], así como a partir del Manual Interejércitos [29], se obtienen distancias de seguridad y condiciones de manipulación, transporte y almacenaje para la munición. El objetivo es la determinación del plan EMCON, ya bien sea mediante las distancias de seguridad en función de los distintos equipos / munición o bien a través de los códigos SRAD (Susceptibility RADHAZ Designator) y TRAD (Transmitter RADHAZ Designator) [27]. Aunque no se entra en profundidad en temas HERO, ya que no es el objeto de la presente Tesis, es muy importante a bordo de las plataformas, ya que el peligro que generan es evidentemente muy delicado.

24

25

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

En el presente Capítulo, se llevará a cabo una descripción en profundidad de las antenas de HF, haciendo especial hincapié en aquellas para aplicaciones navales.

2.1 ANTENAS DE COMUNICACIONES DE HF 2.1.1 INTRODUCCIÓN

Los principales parámetros de diseño para las antenas de HF son [30]: •

Rango de frecuencias de trabajo.

•

Angulo de take-off.

•

Diagrama de radiación.

•

Ganancia / directividad.

•

VSWR.

•

Potencia de entrada.

•

Requerimientos mecánicos y medioambientales.

Dentro del rango de frecuencias, en función del enlace que se quiera realizar, se realiza una búsqueda de la frecuencia óptima (Optimum Working Frequency, OWF) para garantizar el enlace, ya que su trayecto varía acorde a la distancia y a la localización, hora del día, estación del año o actividad solar, entre otros parámetros. Por otro lado, el ángulo de máxima radiación de la antena con respecto a la vertical se conoce como TOA (take-off angle). Como es sabido, el diagrama de radiación de una antena es una representación del campo / potencia radiado en función del ángulo. Su directividad (la ganancia, despreciando perdidas) depende principalmente de los anchos de haz en los planos vertical y acimutal del diagrama de radiación. La ganancia de la antena es la directividad multiplicada por la eficiencia de radiación, por lo que tiene en cuenta las pérdidas de la antena. Se requiere una gran ganancia, conjuntamente con una

26

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

elevada potencia radiada efectiva, para compensar las grandes pérdidas típicas de las transmisiones ionosfericas. Por otra parte, cuando el objetivo es cubrir enlaces tácticos (distancias cortas), interesa conocer el diagrama de radiación del conjunto antena-barco. Para antenas transmisoras, el nivel de potencia reflejada desde la antena viene determinado por las características del transmisor en relación con la impedancia de entrada de la antena. La potencia reflejada se especifica habitualmente en términos de VSWR. Los transmisores de estado sólido capaces de operar en el rango de 0,1 a 10 Kilovatios, presentan un rango de tolerancia máximo de la VSWR de 2.5:1. Muchos transmisores pueden superar una VSWR mayor, de 3:1 o incluso 4:1, eso sí, reduciendo automáticamente su potencia de salida. En lo que respecta a los requerimientos mecánicos, éstos dependen en gran medida de los efectos medioambientales: viento, carga de hielo, variaciones de temperatura, condiciones causantes de corrosión, limitaciones del tamaño de la antena, altura de la torre, restricciones especiales impuestas por el emplazamiento, u otras condiciones como la transportabilidad. Para el caso de antenas navales, han de tenerse especialmente en cuenta los anteriores condicionantes ya que el ambiente en el que operan es muy adverso.

2.1.2 TIPOS DE ANTENAS DE HF

La mayoría de antenas de HF que se utilizan habitualmente son de banda ancha y normalmente no requieren sintonía. Para poder conseguir que una antena tenga un comportamiento de banda ancha, es necesario reducir el factor de calidad (Q) de la misma [31] , lo cual se puede hacer mediante diferentes técnicas. Por ejemplo, mediante el uso de arrays logo-periódicos de monopolos o dipolos, mediante la incorporación de resistencias de pérdidas, o mediante el empleo de elementos radiadores gruesos (fat) para reducir la reactancia. Antenas de este tipo son las antenas rómbicas [32] (Figura 2), antenas con terminaciones en forma de V [33] (Figura 3) o los dipolos cargados resistivamente, por ejemplo.

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CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

Figura 2. Antena rómbica.

Figura 3. Antena terminada en V’s.

Típicas antenas gruesas (fatted) son los dipolos en abanico (fan dipoles [34], Figura 4), los monopolos cónicos [33] (Figura 5) o los arrays de dipolos de banda ancha empleados en radio difusión de HF.

Figura 4. Antena de abanico.

Figura 5. Monopolo cónico.

28

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

Con respecto a las antenas logo-periódicas (Log-Periodic Antenna, LPA), su ancho de banda está únicamente limitado por el número de radiadores que se emplee, y por lo tanto es fácil diseñar antenas que abarquen todo el margen de HF. Otra opción consiste en aplicar unidades de sintonía automática (AutomaticTuning Unit, ATU). Las unidades de sintonía automática se emplean con antenas de látigo o lazo, las cuales tienen un nivel de VSWR del todo inaceptable en el ancho de banda de interés para la operación de la antena. Las principales características de las antenas de HF se pueden ver en la Tabla 1 [33]: Tabla 1. Principales características de las antenas de HF. Tipo de antena.

Ganancia (dBi)

Dipolo horizontal

Directividad

Superficie

Angulo de

Ancho de banda

ocupada

take-off

azimutal

(acres)

(grados).

(grados)

2-5

5-90

80-180

1

2-4

0-45

Omnidireccional

2-5

1-2

0-5

Omnidireccional

Nada (salvo

de media longitud de onda Monopolo vertical Látigo

el plano de masa) De hilo

1-7

10-40

15-60

Su longitud

Yagi

6-12

5-30

28-50

1

V

3-17

5-30

10-40

3-7

Rómbica

8-23

3-35

6-26

5-15

Logoperiódica

10-17

5-45

55-75

2-4

29

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

2.2 ANTENAS DE HF NAVALES

En el apartado anterior, se describieron algunos de los principales tipos de antenas de HF de forma generalista. Nos centraremos ahora en las más adecuadas para aplicaciones navales. Por ejemplo, a bordo de un barco no es muy útil llevar a cabo la

instalación

de

una

LPA

de

HF,

ya

que

sus

dimensiones

resultan

desproporcionadas para la plataforma. A

bordo

de

una

plataforma

naval,

nos

interesan

antenas

que

sean

omnidireccionales, para que la transmisión / recepción sea independiente del rumbo del barco. El mayor inconveniente para la instalación de antenas en una plataforma naval es el espacio físico, al ser sumamente limitado. Por ello, predominan los siguientes tipos de antenas a bordo: •

Látigos (single pole whip).

•

Doble látigo (twin pole whip).

•

Hilo (long-wires).

•

Abanicos (fans).

•

Monopolos activos (solamente para recepción).

Para seleccionar la antena más adecuada a instalar, se deben tener en cuenta los siguientes parámetros: •

Ancho de banda de trabajo.

•

Requerimientos de espacio / ubicación.

•

Ganancia.

•

VSWR.

En la Tabla 2 [35] se lleva a cabo una comparativa de las características de estas antenas, excluyendo los monopolos activos, que como se ha mencionado son utilizados únicamente para recepción.

30

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

Tabla 2. Comparativa de las características de antenas a bordo. PARAMETROS

LATIGO

DOBLE

HILO

ABANICOS

1-2 Octavas

1-2 Octavas

2-3 Octavas

(entre 4:1 y

(entre 4:1 y

(entre 8:1 y

2:1)

2:1)

4:1)

LATIGO Ancho de banda

1 Octava(*) (2:1)

Dimensiones

6 a 10 metros de

6 a 10 metros

15 a 23

15 a 23

físicas

alto (pueden

de alto.

metros de

metros de

largo.

largo.

llegar a 12 metros). Polarización.

VSWR

Vertical

Vertical

Horizontal o

Horizontal o

(horizontal si se

(horizontal si

vertical.

vertical.

abate)

se abaten)

2:1

2:1

3:1

3:1

(*) Una banda de una octava es una banda de frecuencia donde la frecuencia más alta es dos veces la frecuencia más baja.

2.2.1 ANTENAS DE LÁTIGO (MONOPOLE WHIPS)

Las antenas de látigo verticales (monopolos) son de las más comúnmente empleadas. Estas antenas están auto-soportadas, son delgadas y rígidas, se construyen en aluminio o fibra de vidrio. Se encuentran aisladas de la superestructura del buque por un aislante en la base. Por regla general suelen estar instaladas de forma vertical con un ligero ángulo de inclinación (tilt), pero en algunas plataformas pueden ser abatibles (folding whips), para trabajar tanto en polarización vertical (Fotografía 6) como en horizontal (Fotografía 7). La longitud de los látigos, normalmente, está limitada a lo que equivale una antena de cuarto de longitud de onda a la frecuencia de 7.5 MHz (10 metros); látigos más largos pueden presentar dificultades mecánicas. Así, las longitudes de la mayoría de los látigos comerciales están entre 6 m y 12 m. Este tipo de antenas presenta una

31

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

gran desventaja, y es que son de banda estrecha. Además, por debajo de 5 MHz son eléctricamente cortas y bastante ineficientes. Siendo el ruido atmosférico un factor límite a esas frecuencias, las antenas receptoras de HF pueden tener pérdidas sin que ello implique una excesiva degradación efectiva de la sensibilidad de recepción con antenas cortas. A bordo de un barco, estas antenas tenderán a reducir la interferencia producida por las transmisiones locales. En otras palabras, una antena receptora con pérdidas ofrece una protección frente a interferencias electromagnéticas en recepción [35]. Por este motivo suelen instalarse para la recepción antenas activas receptoras de HF. Por el contrario, para una antena transmisora la situación es bastante diferente, al no tener estas limitaciones con respecto a la interferencia, siendo en este caso la eficiencia y la VSWR los principales factores a tener en cuenta.

Fotografía 6. Látigo abatible en posición

Fotografía 7. Látigo abatible en posición

vertical.

horizontal.

Para cubrir todo el rango de trabajo, 2 MHz a 30 MHz, este tipo de antenas debe tener un sintonizador (acoplador / ATU) que permita una óptima transmisión de

32

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

potencia, mediante un acoplo efectivo de impedancias, entre el transmisor y la antena. No obstante, un defecto de los monopolos sintonizables es que sólo un número limitado de ellos se pueden instalar a bordo de un barco con la suficiente separación espacial para prevenir las excesivas interferencias por acoplo mutuo entre bases sintonizables adyacentes. Así, por ejemplo, la Armada de los Estados Unidos (US Navy) aplica una distancia mínima de 13 metros entre látigos transmisores del tipo AN/URA-38 [35]. Otra desventaja, de este tipo de antenas de HF es su tamaño, puesto que dependiendo de la plataforma en que se instalen, así como de su ubicación, pueden interferir en las operaciones con aeronaves, siendo en algunos casos necesario instalarlas con un sistema de abatimiento para poder variar su posición (vertical a horizontal) en función de los requisitos de operación.

2.2.2 ANTENAS DE DOBLE LÁTIGO (TWIN WHIP ANTENNAS)

Una alternativa a las antenas monopolo es emplear un par de látigos como una sola antena, conectados a la misma alimentación, presentan un mejor rendimiento y tienen un gran empleo a bordo de los barcos. Son capaces de trabajar en un mayor rango de frecuencias sin necesidad de acopladores, por lo que son más adecuadas, por ejemplo, para emplear en sistemas de banda ancha y operar en transmisión con salto en frecuencia. En una configuración doble, las antenas individuales están normalmente montadas en una plataforma común, que puede ser tanto fija como con posibilidad de inclinación en diversos ángulos, según las necesidades. Si la distancia entre las antenas está relativamente próxima, éstas se pueden conectar con una barra o travesaño, la cual a su vez es alimentada en el centro desde una red de adaptación, o bien se pueden alimentar mediante cables (Fotografía 8), siempre que no se coloquen en excesiva tensión ni puedan entrar en contacto con la superestructura del barco durante el movimiento en las

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CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

navegaciones. En algunos modelos (Fotografía 9), cada uno de los látigos tiene distintos puntos de alimentación, para poder optimizar la adaptación de impedancias en función del rango de frecuencias que se necesite cubrir.

Fotografía 9. Doble látigo con varias

Fotografía 8. Doble látigo.

alimentaciones.

2.2.3 ANTENAS DE HILO (LONG-WIRE ANTENNAS)

En este tipo de antenas, la longitud física de la antena tiende a exceder la longitud de onda. Típicamente no consisten simplemente en un hilo recto, y además presentan una ganancia modesta con un estrecho ancho de banda. La Figura 6 [35] muestra la configuración típica de una antena de este tipo, en la cual un hilo es tendido entre dos partes de la superestructura del buque. En la Figura 7 se pueden ver dos antenas de hilo, una en rojo (transmisora) y otra en azul (receptora) instaladas en un buque de vela.

34

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

Figura 6. Antena de hilo.

Figura 7. Antenas de hilo.

Donde el espacio para la antena es limitado, lo más adecuado es emplear una antena de abanico, es decir, un array de antenas de hilo. Esta configuración presenta ganancias mayores y anchos de banda mayores que las de hilo. Por ejemplo, consideremos cuatro dipolos con acoplo despreciable entre los elementos, tal y como se muestra en la Figura 8 [35].

Figura 8. Array de 4 antenas de hilo. En la Tabla 3 [35] se muestra el comportamiento, en función de los hilos (dipolos) conectados, así como suponiendo que apenas hay acoplo entre ellos.

35

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

Tabla 3. Comparación de ganancias de varios dipolos sin apenas acoplos. DIPOLOS

POTENCIA

POTENCIA

GANANCIA

GANANCIA

RELATIVA DE

RELATIVA DE

DE POTENCIA

(dB)

SALIDA

ENTRADA

Solo A.

1

1

1

0

A y B.

4

2

2

3

A, B y C.

9

3

3

4

A, B, C y D.

16

4

4

6

Las antenas de hilo se escogen, pese a sus deficiencias, porque su construcción es simple, tanto eléctrica como mecánicamente; no hay dimensiones críticas ni requieren ajuste. Trabajan bien y proporcionan una ganancia y directividad satisfactoria sobre un rango de frecuencias de 2 a 1; permiten transmitir elevadas potencias y radian en algunas frecuencias a las cuales su longitud total no es menor que aproximadamente media longitud de onda. Los diagramas de radiación de las antenas de hilo son directivos y pronunciados en ambos planos (horizontal y vertical), tienden a concentrar la radiación en ángulos verticales bajos, que son los más útiles para las frecuencias más altas. Aunque estos parámetros son función de cómo se coloque en la plataforma, a medida que la frecuencia de trabajo aumenta, su comportamiento se ve más afectado por la superestructura que las rodea [14]. El diagrama de la antena de hilo es similar al de una antena dipolo. El plano de tierra genera una imagen eléctrica de la antena, por lo que el diagrama de radiación es una superposición de la antena de hilo y su imagen. Esto dará como resultado un diagrama algo similar al de una toroide, deformado e inclinado. La forma exacta dependerá de la longitud de onda (frecuencia de operación) y otras distorsiones procedentes de la superestructura del buque [35]. 2.2.4 ANTENAS DE ABANICO (FAN ANTENNAS)

La asignación dedicada de una antena a un único dispositivo transmisor, receptor, o transceptor, es una manera muy ineficaz de aprovechar el espacio físico en un 36

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

buque. Para una gestión más óptima de recursos, se emplean multiacopladores para la combinación de señales de transmisores y receptores para una o más antenas. Los multiacopladores, generalmente, están conectados a antenas de banda ancha de HF, aunque también se emplean para UHF/VHF. Una antena de hilo del tipo abanico trabaja sobre un rango de frecuencias de 4 a 1, con unas pérdidas de potencia de solo 20% debido al acoplo. Este tipo de antenas de banda ancha en HF es el que más frecuentemente se utiliza para los circuitos de comunicaciones de larga distancia. La Figura 4, muestra una antena de abanico de tres hilos simple, mientras que la Figura 9 [14] muestra un doble abanico formado por tres hilos cada uno. La Fotografía 10 muestra un doble abanico de seis hilos cada uno.

Figura 9. Doble abanico.

Fotografía 10. Doble abanico.

Las antenas de abanico están estandarizadas para el rango más bajo de la banda de HF, particularmente para la banda de 2 a 6 MHz. No necesitan acoplador ni ATU, sino que en su lugar llevan una red adaptadora que debe estar situada en el punto más próximo posible a la alimentación. La combinación antena/red adaptadora proporciona una VSWR óptima en la banda de interés sin necesidad de sintonía, permitiendo el uso simultaneo de la antena por parte de varios transmisores a la vez, es decir, facilitando una mejor optimización de los recursos. 37

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

Se emplean principalmente para transmitir, pero también pueden emplearse como receptoras. Se diseñan para ser lo más omnidireccionales que sea posible, considerando además los efectos de la distorsión producida por el acoplamiento con la superestructura del barco. Por regla general, este tipo de antenas son bastante pesadas, siendo su peso función del material empelado así como de sus dimensiones. Particularmente importante es el material que se utiliza en la fabricación de los aisladores, pues deben de soportar el propio peso de las antenas y a su vez dar flexibilidad para que se muevan sin romperse. Inicialmente se empleaban aisladores de porcelana, pero éstos eran altamente susceptibles de fractura por shock. Para superar esta deficiencia, la US NAVY empezó a emplear aisladores cerámicos de un polímero termoplástico (DELRIN), incrementando su resistencia y reduciendo peso [35]. El material empleado en la fabricación de las propias antenas suele ser hilo de acero de 7,9 mm. Para reducir el peso, por su resistencia a la corrosión y por sus propiedades no magnéticas, se pueden emplear hilos de bronce-fosforo de 4,8 mm, logrando considerables reducciones de peso [35]. 2.2.5 ANTENAS DE ONDA IONOSFERICA INCIDENTE CASI VERTICALES (NEARVERTICAL INCIDENT SKYWAVE, NVIS)

Por características en la propagación de las ondas electromagnéticas en el rango de frecuencias de HF, hay una zona de relativo silencio (Figura 10) en la que las señales son pobres, desde 300 Km a 650 Km [36]. Hay un tipo de antenas de HF diseñadas para solventar la pérdida de señal en esta zona de silencio: las conocidas como Near-Vertical Incident Skywave (NVIS). Se caracterizan por tener polarización horizontal con ángulos de elevación muy altos, lo que permite puntos de reflexión en la ionosfera mucho más cercanos al origen de la transmisión y, por lo tanto, dar cobertura en la zona de silencio. En la Fotografía 11 se muestra, dentro de un círculo rojo, una antena NVIS instalada en un buque.

38

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

Figura 10. Propagación HF con zona de silencio.

Fotografía 11. Antena NVIS.

39

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

2.3 ESTADO DEL ARTE EN ANTENAS NAVALES DE HF

En los últimos años, han surgido algunas alternativas y/o mejoras a los tipos de antenas previamente mencionadas. A continuación se exponen algunas de las que presentan un interés mayor. En primer lugar, Thales Nederland V presenta un modelo de antena de banda ancha de HF totalmente integrable en una plataforma naval [37]. Uno de los modelos propuestos en este trabajo, puede verse esquematizado en la Figura 11.

Figura 11.Antena de banda ancha de HF

Figura 12. Monopolo “bifolded”

Marrocco [38], propone una antena transceptora de banda ancha en HF capaz de combinar las prestaciones de un monopolo con una antena NVIS, la cual denomina monopolo bifolded (Figura 12). El mismo autor propone otros modelos de antenas de

40

CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

comunicaciones de banda ancha en HF para aplicaciones navales [39], pensadas principalmente para ser ubicadas alrededor de las chimeneas de un buque o partes de la superestructura similares (mástiles). La Figura 13 [40] muestra un ejemplo de cuatro elementos radiantes alrededor de una chimenea. Posteriormente, dicho diseño ha sido implemento en un modelo a escala [41], Figura 14. La U.S. Navy, a través de la empresa SSC (SPAWAR Systems Center) ha desarrollado antenas de comunicaciones realizadas con agua salada del mar, capaces de recibir y transmitir señales en las bandas de UHF, VHF y HF. El dispositivo trabaja bombeando un chorro de agua del mar a través de una sonda de corriente. La altura del chorro de agua determina la frecuencia de la antena. Por ejemplo, para UHF se necesita un chorro de 0.6 metros de altura, para VHF y HF 1,8 metros y 24 metros respectivamente [42].

Figura 13. Antena de cuatro elementos al

Figura 14. Modelo a escala de uno de

alrededor del mástil de un buque.

los elementos alrededor del mástil.

Algunas empresas se han dedicado a mejorar los monopolos típicos de HF, convirtiendo este tipo de antenas de banda estrecha en nuevas antenas banda ancha que no necesitan ni acopladores ni ATUs para trabajar. Es decir, un monopolo

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CAPÍTULO 2. ANTENAS DE HF

capaz de trabajar en banda ancha sin elementos de sintonía intermedios. Estas empresas / productos son: •

Moonraker con la antena 122BB/SD Broad Band HF Whip Antenna: diseñada especialmente para aplicaciones navales y estaciones base. Se caracteriza por ser una antena de látigo de 12 metros de longitud y cubrir el rango de 1 a 30 MHz sin necesidad de elementos intermedios (acoplador/ATU/red de adaptación) y presentar en toda la banda de trabajo una VSWR 1-2MHz