Resumen de Aplicación de la teoría del equilibrio de potencias en entornos reverberantes para el cálculo de la efectividad de apantallamiento
- español
En el presente trabajo de tesis se aborda el problema de la estimación de la efectividad de apantallamiento (SE, del inglés Shielding Effectiveness) de una estructura, fuselaje o carcasa de un sistema o equipo. La SE relaciona la cantidad de energía electromagnética (EM) que pasa del exterior al interior del sistema y es un parámetro fundamental de diseño de plataformas aéreas, vehículos, barcos o satélites. En esta tesis se trata de resolver el problema mediante el uso de una combinación de métodos basados en la teoría del equilibrio de potencias que está presente en entornos reverberantes. Por lo tanto, las técnicas descritas en este trabajo serán de aplicación en entornos multicamino donde las señales EM pueden venir de cualquier dirección y con cualquier polarización. El rango de frecuencias de aplicación dependerá de las dimensiones del objeto comparadas con la longitud de onda de la señal. Se suele decir que un entorno es reverberante cuando es eléctricamente grande, es decir, la longitud de onda de la señal es varias veces más pequeña que las dimensiones del objeto o cavidad.
Para la realización de esta tesis se ha profundizado en los métodos de caracterización y procedimientos de medida de la SE en cámaras reverberantes, haciendo uso de las instalaciones de este tipo que tiene el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA). De este modo, todos los conceptos teóricos y métodos analíticos que se han implementado a lo largo del trabajo se han podido comparar con medidas experimentales. El método desarrollado para la estimación de la SE se ha validado con medidas de un ensayo real mediante la técnica de las cámaras reverberantes anidadas.
Se han descrito detalladamente todos los parámetros necesarios para la utilización de la teoría del equilibrio de potencias en cavidades resonantes, como son los mecanismos de pérdida y disipación de energía, el factor de calidad de la cámara o cavidad, la densidad de potencia media o el máximo nivel de campo eléctrico. Se han estudiado las relaciones que hay entre estos parámetros para un amplio rango de frecuencias, consiguiendo así extraer conclusiones sobre la importancia de cada uno de ellos en función de la frecuencia. Además se ha avanzado en el campo del cálculo de la sección transversal de transmisión promedio para aperturas de forma arbitraria, parámetro fundamental para el caso de la estimación de la SE de una estructura compleja. Para ello, se ha implementado una metodología basada en el teorema de equivalencia y la teoría de imágenes que resuelve el problema dual de una apertura en un plano conductor infinito utilizando el código de simulación EM MONURS de la Universidad de Alcalá.
La solución final aúna los modelos teóricos más precisos y actuales de los mecanismos de disipación y pérdida de energía en entornos reverberantes con la metodología más sencilla para calcular las interacciones electromagnéticas que pueden darse en un caso real de un sistema complejo de cavidades donde las señales se propagan a través de distintos espacios.
Todo ello se ha desarrollado e implementado desde un punto de vista práctico para la resolución de problemas de compatibilidad electromagnética como la interoperabilidad de los equipos instalados en un mismo espacio mediante el cálculo del máximo nivel de campo eléctrico dentro de una cavidad debido a una interferencia interna o externa a dicha cavidad, la propagación de señales en un entorno multicamino o reverberante, o la estimación precisa y fiable de la SE de una estructura, fuselaje o carcasa de un sistema, equipo o plataforma.
- English
This thesis deals with the problem of electromagnetic (EM) shielding effectiveness (SE) estimation of a structure, fuselage or equipment case. SE means the ratio of the signal received (from a transmitter) without the shield, to the signal received inside the shield, and it is a main design parameter of aircrafts, vehicles, ships and satellites. In this study the problem is solved by a combination of methods based on the power balance theory present in reverberant environments. Therefore, the technique described in this thesis could be used in multipath environments where the EM signals could come from any direction and with any polarization. The application frequency range will depend on the object dimensions in comparison with the signal wavelength. Traditionally, an environment is reverberant when it is electrically large, that means, when it supports several modes at the lowest frequency of interest, and, for that reason, the signal electrical wavelength is much smaller than the object or cavity dimensions.
The SE measurement procedure and the validation method of reverberation chambers have been deeply analyzed using the National Institute of Aerospace Technique (INTA) facilities.
Thus, every theoretical concept, model or formalism implemented during this study has could be compared with experimental results. The method developed for SE prediction has been validated with real test case measurements using the nested reverberation chambers technique.
The main parameters of the power balance theory in reverberant cavities, such as the energy leakage and dissipation mechanisms, the cavity quality factor, the average power density or the maximum electrical field level, have been exhaustively described. In addition, the relationships between these parameters have been analyzed in a very wide frequency range, which permit us to draw conclusions about how each parameter affects the final SE result at different frequency bands. Furthermore, the thesis makes progress in the important issue of calculating the average transmission cross section of an arbitrary shape aperture, which is a fundamental parameter for an accurate SE prediction of a complex and real structure. For that purpose, a methodology based on the image theory has been implemented in order to solve the dual problem of an aperture in a planar conducting screen of infinite extent, using the EM simulation code MONURBS of Alcala de Henares University.
The final solution is the combination of a simplified microwave propagation model with the updated and more accurate formulation for energy leakage and dissipation mechanisms. The method is able to calculate the exchanges of EM energy between coupled spaces inreverberant environments.
The theoretical models have been developed and implemented from a practical viewpoint in order to solve EM compatibility problems such as the interoperability between equipment which are installed at same cavity by means of the calculation of the maximum electrical field level due to an external or internal interference signal, the microwave signal propagation in a reverberant environment, or the accurate and reliable SE estimation of a structure, fuselage or equipment case
