Tomar medidas con analizadores de mano exige precisión, flexibilidad y durabilidad

Hoy en día, cada vez es más necesario ser capaces de obtener medidas precisas de RF y microondas en condiciones duras y en lugares de difícil acceso. Los ejemplos de este tipo de situaciones son variadísimos: ya sea de día o de noche, llueva o haga sol, haga frío o calor, o a bordo de un barco, una aeronave o un vehículo. En estos casos, un instrumento de mano debe ser capaz de realizar las medidas necesarias con unos niveles suficientes de prestaciones y precisión. Estos atributos revisten una gran importancia. Sin embargo, a la vista de las condiciones operativas previstas, las especificaciones ambientales y físicas también lo son tanto para el instrumento como para el usuario (Figura 1). Este artículo presenta sugerencias generales y ejemplos específicos sobre los atributos fundamentales de los analizadores de mano que se utilizarán en condiciones extremas.

Establecer una referencia de “resistencia”

La especificación militar estadounidense MIL-PRF-28800F proporciona una serie de indicadores de referencia para los equipos de pruebas que se utilizarán durante las pruebas y la calibración de equipos eléctricos y electrónicos. La especificación incluye cuatro clases que engloban desde los “extremos de la variedad climática mundial” (Clase 1) hasta entornos operativos controlados y protegidos (Clase 4).

La especificación, que se extiende 88 páginas, es bastante detallada, y en el apartado 3.8 emplea 13 categorías principales para definir los requisitos ambientales. Seis de ellas son especialmente importantes para los analizadores de mano:

• Condiciones ambientales (3.8.1)

• Temperatura y humedad (3.8.2)

• Altitud (3.8.3)

• Vibración (3.8.4)

• Choque mecánico (3.8.5)

• Resistencia al agua (3.8.6)

Ciñéndonos a estas especificaciones, un instrumento que cumple los requisitos de la Clase 2 será capaz de funcionar en entornos operativos exigentes, entre los cuales se incluyen condiciones climáticas sin protección e incontroladas. Se trata de obstáculos considerables para los instrumentos de RF y microondas de mano.

Otra consideración importante por lo que respecta a los analizadores de mano es el funcionamiento en condiciones en las que existe riesgo de explosión. Una de las referencias principales a este respecto es la especificación MIL-STD-810G, que aborda las consideraciones ambientales que puede experimentar un dispositivo a lo largo de su vida útil y proporciona pruebas de laboratorio pertinentes. En este estándar, el Método de prueba 511.5 cubre el funcionamiento en una atmósfera explosiva. Las pruebas más habituales incluyen el funcionamiento del dispositivo sometido a prueba (DUT) en una cámara llena de gases explosivos que pueden incendiarse si el DUT produce una chispa. Superar esta prueba es crucial para los dispositivos de mano destinados a utilizarse cerca de combustibles o gases inflamables presentes en aeronaves, vehículos, operaciones mineras, etc.

Marcar un antes y un después

Tal como han demostrado los instrumentos de RF y microondas disponibles en la actualidad, existen dos formas de crear un dispositivo de mano: una consiste en reempaquetar un analizador de banco de trabajo convencional y la otra, en crear un instrumento totalmente nuevo diseñado teniendo presente que se usará sobre el terreno. Si tomamos el estándar MIL-PRF-28800F como referencia, muchos de los instrumentos “reempaquetados” existentes hoy en día obtienen unos resultados insuficientes en varios aspectos clave: temperatura y humedad, vibración, choque mecánico, resistencia al agua y exposición al polvo. La mayoría fallan porque se han tomado malas decisiones con respecto a determinados factores, como la selección de componentes o el diseño de la carcasa. Por ejemplo, los componentes diseñados para funcionar en un dispositivo con alimentación AC suelen consumir mucha energía, lo que tiene dos consecuencias nefastas. Por un lado, la duración de la batería es más reducida, lo que supone un gran inconveniente cuando no hay un enchufe AC cerca o no se dispone de baterías de repuesto. Por el otro lado tenemos el calor, puesto que estos componentes suelen necesitar refrigeración por medio de ventiladores, lo que a su vez exige la incorporación de orificios que dejen entrar el aire en la carcasa del instrumento. Con estos atributos, un diseño reempaquetado típico tendrá dificultades para funcionar en condiciones extremas (pero habituales): lluvia, polvo, humedad, temperaturas variables, etc. Pensemos en una de las peores situaciones posibles: un día en el desierto trabajando en estaciones terrestres de satélite con un dispositivo de mano refrigerado por ventilador. Las tormentas de arena son muy frecuentes, y es probable que en el instrumento penetren grandes cantidades de materias extrañas, lo cual puede acarrear un sobrecalentamiento más rápido que cuando funciona en condiciones idóneas.

Diseñado desde cero

La alternativa a un instrumento modificado es un dispositivo creado para una finalidad concreta. En el caso idóneo, los diseñadores industriales y electrónicos tendrían libertad para empezar desde cero. Las opciones de diseño responderían a la necesidad de obtener medidas de RF y microondas de alta calidad en situaciones difíciles. Con el fin de reducir la cantidad de equipos necesarios sobre el terreno, el diseño global sería lo suficientemente flexible para ofrecer muchas funciones en un formato compacto: análisis de cables y antenas, análisis vectorial de redes, análisis de espectros, medidas de potencia, análisis de interferencias y medidas vectoriales de tensión (Figura 2)

Creación de un diseño industrial valioso sobre el terreno

Para obtener una opinión de primera mano, el equipo de diseño de Agilent abandonó su laboratorio para acompañar a los técnicos y los ingenieros en sus operaciones sobre el terreno. Mientras el personal sobre el terreno realizaba tareas de mantenimiento rutinarias, resolvía problemas complicados y llevaba a cabo el resto de las actividades de su día a día, los miembros del equipo de diseño de Agilent estaban a su lado, observándolos, entrevistándolos y escuchándolos. El equipo viajó a múltiples centros de trabajo en furgoneta, camioneta y camión. Normalmente, los instrumentos “buenos” iban en el habitáculo, con los técnicos, mientras que los otros aparatos iban tirados (en el sentido literal de la expresión) de cualquier manera en el maletero de la furgoneta o en la zona de carga de la camioneta. En todos los casos, era necesario que las personas, los vehículos y los instrumentos se equiparan para un sinfín de condiciones de trabajo: de día o de noche, con lluvia o con sol. Estas experiencias se han traducido atributos que hacen que el analizador de mano esté preparado para las condiciones más exigentes. Por ejemplo, la carcasa completamente sellada, que cumple los requisitos de la norma estadounidense MIL-PRF-28800F Clase 2, garantizará la durabilidad en entornos complicados. En consonancia con esta especificación, el instrumento incorpora un chasis, un teclado y una carcasa resistentes al agua que pueden soportar entornos húmeros y salados. Las puertas selladas con juntas protegen las interfaces del instrumento frente a la humedad, y el diseño a prueba de polvo (sin orificios de ventilación ni ventiladores en la carcasa) contribuye a mejorar la disponibilidad y la fiabilidad del instrumento. El conjunto también debería aguantar choques y vibraciones, y el soporte de conectores debería estar diseñado para impedir que los conectores de RF sufrieran daños en caso de caída u otros impactos externos. Dos atributos adicionales contribuirán a que las seis caras del dispositivo resistan a las posibles caídas. El primero de ellos es una carcasa con un fondo curvo y esquinas redondeadas, que dispersan el impacto e incrementan la resistencia estructural a los choques y los impactos desde todos los ángulos. Otro atributo útil es la mezcla de polímero empleada en la carcasa. Además de su durabilidad innata, el polímero está formulado para no resquebrajarse a la temperatura mínima del rango operativo deseado.

Definición de una ergonomía idónea para trabajar sobre el terreno

El tiempo pasado sobre el terreno dejó unos recuerdos imborrables que se tradujeron en decisiones prácticas y positivas en cuanto a la ergonomía. Por ejemplo, el asa de goma antideslizante (integrada en la carcasa), que se adapta con firmeza a las manos del usuario, también ha sido diseñada para evitar que el analizador resbale por el capó de un vehículo. La orientación vertical hace que resulte más sencillo sostener el instrumento. A esto se une una distribución de teclado cuidadosamente diseñada para que el usuario pueda utilizar el instrumento con los pulgares (Figura 3). Además, al pesar tan solo unos 3,0 kg, es relativamente fácil de transportar durante periodos prolongados sobre el terreno. Dado que el instrumento se puede utilizar tanto de día como de noche, en interiores y exteriores, el usuario se beneficiará de una pantalla brillante de baja reflectividad y varios modos de visualización que optimizan la visión en diversas condiciones de iluminación. Además, incorpora teclas retroiluminadas para poder utilizarlo en la oscuridad.

Consumo de energía reducido

El diseño electrónico de un analizador de mano exige un equilibrio delicado (y complejo) entre prestaciones, consumo de energía, calor y duración de la batería. En el caso del FieldFox, los científicos de Agilent modificaron los chips y las tecnologías de altas prestaciones existentes para reducir el consumo de energía sin que se vieran afectadas las prestaciones. El resultado es un analizador que consume alrededor de 14 W y dura 3,5 horas con una sola carga. El hecho de que la electrónica consuma tan solo 14 W es lo que le permite incorporar una carcasa completamente sellada. Este diseño eficiente desde el punto de vista energético presenta otra ventaja: el instrumento es capaz de ofrecer todas las prestaciones de la especificación dentro de un rango de temperatura de funcionamiento de -10 a +55 °C.

Incorporación de prestaciones de banco de trabajo

Para el equipo de Agilent, el paso siguiente consistía en incluir los niveles de prestaciones y funciones necesarios en un diseño robusto y ergonómico que cumpliera los requisitos mencionados anteriormente. Como punto de partida, tomaron funciones de los analizadores de banco de trabajo de Agilent, muchos de los cuales son los mejores instrumentos de microondas disponibles actualmente.

Para el análisis de redes, los diseñadores aprovecharon el hardware de calibración integrado y los algoritmos de calibración de alta precisión de los analizadores vectoriales de redes (VNA) de gama alta para obtener medidas precisas y repetibles. Privilegiando la portabilidad, los diseñadores simplificaron la calibración incorporando estándares integrados, lo cual permite realizar medidas sobre el terreno sin necesidad de accesorios adicionales. Por lo que respecta a casi todos los demás los instrumentos, la conexión de dispositivos, como cables puente, al puerto de pruebas exige una recalibración mediante un kit de calibración externo que debe llevarse sobre el terreno.

Para mejorar el análisis de espectros, el equipo de diseño utilizó las medidas de potencia que emplean los analizadores de señales de banco de trabajo de Agilent. Esto permite realizar medidas de potencia rápidas y precisas de sistemas de comunicaciones canalizados con tan solo pulsar un botón. Con el fin de mejorar la precisión, los diseñadores crearon una función de alineación de amplitud interna que se activa automáticamente a medida que van cambiando las condiciones ambientales. Con esto se obtiene una precisión de amplitud de ±0,5 dB sin necesidad de calentamiento en un rango de temperatura de funcionamiento de entre -10 y +55 °C.

Cubrir más terreno

Los analizadores de mano FieldFox de Agilent reúnen todos los resultados del proceso de diseño. Tanto el exterior como el interior de los instrumentos de la familia FieldFox han sido diseñados teniendo muy presentes esas aplicaciones sobre la marcha, y también pensando en los usuarios finales (Figura 4). Dentro de su formato compacto, un analizador FieldFox se puede configurar como comprobador de cables y antenas (CAT), como analizador de espectros y como analizador vectorial de redes. Entre otras funciones, incluye un medidor de potencia, un voltímetro vectorial, una fuente de señales independiente, una fuente de alimentación DC variable, un contador de frecuencia, un analizador de interferencias y un GPS integrado. La familia FieldFox se compone de 16 modelos, con frecuencias máximas de 4 y 6,5 GHz en los modelos de RF y de 9, 14, 18 y 26,5 GHz en los modelos de microondas. Gracias a esta gran flexibilidad, puede sustituir a una amplia variedad de instrumentos. Además, el usuario puede definir una configuración inicial “correcta, sin más” y modificarla más adelante de forma sencilla con funciones adicionales a medida que vayan cambiando las necesidades y los presupuestos lo permitan. Puesto que esas funciones son inclusivas, una versión CAT se puede mejorar con cualquiera de las otras funciones (análisis de espectros, análisis de redes, etc.); basta con adquirir y aplicar la clave de licencia. No se necesita ningún hardware adicional, ni tampoco hace falta devolver el instrumento a la fábrica.

Como colofón, la garantía del producto es un aspecto importante en el caso de los instrumentos que vayan a utilizarse sobre el terreno. Mientras que la mayor parte de los instrumentos están cubiertos por una garantía de un año, los analizadores de mano FieldFox ofrecen la confianza adicional que aporta una garantía de tres años.

Mediciones sobre el terreno

Una cosa es conseguir que las medidas de microondas realizadas con un instrumento de mano coincidan con las tomadas con un analizador de banco de trabajo. Y otra muy distinta es incorporar esas funciones en un analizador que realice medidas conforme a los requisitos de la norma estadounidense MIL-PRF-28800F Clase 2 y que haya sido probado específicamente para superar las pruebas de funcionamiento en atmósferas explosivas establecidas por la norma MIL-STD-810G. Los analizadores de mano FieldFox ofrecen una magnífica combinación de funciones de medida avanzadas en un formato duradero, y están equipados para afrontar tareas de mantenimiento rutinarias, resolución de problemas complicados y muchas otras labores, prácticamente en cualquier lugar a donde deban desplazarse los técnicos y los ingenieros.