Atenuación de ondas de radio de antena durante la lluvia

Ejemplos de radomos de radar meteorológico

Para mitigar los daños causados por las lluvias torrenciales localizadas, el Ministerio de Tierra, Infraestructura, Transporte y Turismo ha instalado XRAIN, un radar de banda X (8-12 GHz) capaz de realizar observaciones de alta resolución prácticamente en tiempo real.
Si bien el radar de banda C (4-8 GHz) es adecuado para la observación de áreas extensas, XRAIN puede observar lluvias intensas localizadas en detalle y en tiempo real ^*1.
Sin embargo, en la banda X de mayor frecuencia, la atenuación de las ondas de radio es mayor debido a la película de agua que se forma en la superficie del radomo.

Debido a la lluvia, se forma una fina capa de agua en la superficie de la cúpula.

Incluso una lluvia ligera puede provocar que se forme una película de agua en la superficie del radomo, lo que reduce la señal. El espesor de la película de agua cambia según la intensidad de la lluvia, el material del radomo, el estado de la superficie, etc.
La Figura 1 muestra el espesor estimado de una película de agua que se formaría sobre una superficie de radomo uniforme, lisa, sin tratar y de 5 m de diámetro. Por ejemplo, una lluvia de 30 mm por hora puede provocar que se forme una película de agua de 0,2 mm de espesor en la superficie.

Sin medidas para evitar la acumulación de película de agua, el rango de funcionamiento se reducirá drásticamente debido a la atenuación de la película de agua ^*3.​

De hecho, durante los períodos de fuertes lluvias, la señal disminuye significativamente debido a la película de agua sobre el radomo, y el rango de observación se vuelve extremadamente estrecho.
Por ejemplo, 30 mm de lluvia por hora pueden formar una película de agua de 0,2 mm de espesor sobre la superficie del radomo, lo que produce una atenuación de 5,0 dB.
Como se muestra en la Figura 2, el rango de observación se ha reducido de los 80 km normales a 10 km.

Puntos clave para prevenir la acumulación de película de agua

Al recubrir la superficie del radomo con un material hidrófugo ^*3 que tenga un ángulo de contacto de 140 grados o más, se puede suprimir la formación de una película de agua.
Gracias a su excelente repelencia al agua y su durabilidad, ^HIREC® puede alcanzar un ángulo de contacto de 150 grados entre la superficie y las gotas de agua.
Además, cuenta con un mecanismo de autolimpieza que le permite mantener repelencia al agua durante aproximadamente tres años.

HIREC® se utiliza en el radomo del radar MP de banda X de XRAIN como contramedida de atenuación de la película de agua.

*1) "Observación por radar de las precipitaciones para la gestión de ríos en Japón", Ministerio de Tierras, Infraestructura, Transporte y Turismo, 30 de septiembre de 2013, http://www.mlit.go.jp/river/pamphlet_jirei/pdf/xrain_en.pdf (1,7 MB)
*2) "Informe de investigación sobre la mejora de la tecnología de reducción de atenuación para radomos de radar meteorológico de banda de 9 GHz", Centro de Avances en Investigación de Tecnologías de Comunicaciones Avanzadas, marzo de 2009.
*3) "Estudio sobre contramedidas de atenuación de radomo para radar meteorológico de banda de 9 GHz", Centro de Investigación y Avance de Tecnologías de Comunicaciones Avanzadas (AIST)

Ejemplos de antenas BS

Atenuación de ondas de radio de antena durante la lluvia

① Atenuación debida a la lluvia entre el satélite y la antena
② Provocado por la lluvia que cae sobre la antena película de agua Amortiguación debida a

↓

¡HIREC reduce significativamente la atenuación de las ondas de radio causada por las películas de agua!

La Figura 3 muestra un diagrama esquemático de cómo la lluvia atenúa las ondas de radio, utilizando una antena BS como ejemplo.

La atenuación de las ondas de radio durante la lluvia no se debe únicamente a la lluvia que cae entre el satélite y la antena de la estación base, es decir, a la atenuación causada por las gotas de lluvia en el espacio.
Existe un fenómeno llamado atenuación de la película de agua.
La atenuación por película de agua se refiere a la atenuación de las ondas de radio causada por una película de agua que se forma en una antena BS debido al agua de lluvia.
Al aplicar revestimiento súper hidrofóbico HIREC a la superficie de una antena BS, prácticamente no se forma ninguna película de agua en la superficie, lo que reduce significativamente la atenuación causada por la película de agua.

La figura 4 muestra la relación entre la intensidad de la lluvia y la atenuación de la misma.
La atenuación por lluvia se produce cuando la frecuencia de operación supera los 10 GHz, y la magnitud de la atenuación aumenta con frecuencias más altas. Además, la atenuación aumenta con el incremento de la lluvia.
Por ejemplo, en la banda de frecuencia de 12 GHz utilizada por el sistema de radiodifusión (BS), las intensidades de lluvia de 5 mm/h y 10 mm/h dan como resultado atenuaciones de la lluvia de aproximadamente 1 dB y 2 dB, respectivamente.

La figura anterior muestra la relación entre la frecuencia y la atenuación de la película de agua, considerando el espesor de dicha película como parámetro. (Calculado a partir de la fórmula de atenuación de la película de agua y los datos de la constante dieléctrica compleja del agua que figuran en la Nota de Investigación Meteorológica n.° 112).
Se ha descubierto que la atenuación por película de agua se produce incluso a frecuencias de unos pocos GHz, y la cantidad de atenuación aumenta a medida que aumentan la frecuencia y el grosor de la película de agua.
El espesor de la película de agua a una determinada intensidad de lluvia varía en función del tamaño y la forma de la antena, pero presentaremos un ejemplo publicado en la Nota de Investigación Meteorológica n.º 139.
A 10 °C, en una cúpula de radar con un diámetro de 5 m, una intensidad de lluvia de 10 mm/h produjo una película de agua de aproximadamente 0,16 mm de espesor. Este ejemplo sugiere que una película de agua de 0,1 a 0,2 mm de espesor puede formarse incluso con lluvia normal.
Además, teniendo en cuenta la degradación de la superficie de la antena debido a los rayos ultravioleta, es probable que cuanto mayor sea el período de instalación al aire libre de la misma antena, más gruesa se volverá la capa de agua, incluso con la misma cantidad de lluvia.

Los datos de atenuación de la lluvia de la Figura 4 y los resultados del cálculo de atenuación de la película de agua de la Figura 5 se resumen en la Figura 6.
Esto demuestra que el efecto de atenuación de la película de agua no es insignificante. En particular, las contramedidas contra la película de agua son importantes en torno a los 10 GHz y por debajo de ellos.
Al aplicar un recubrimiento hidrófugo a la superficie de la antena para repeler fuertemente el agua, la atenuación de las ondas de radio causada por la película de agua se eliminará casi por completo por debajo de los 10 GHz.
Si bien la atenuación por lluvia se produce a frecuencias superiores a 10 GHz, la atenuación causada por la película de agua puede eliminarse, reduciendo así la atenuación general.

Ejemplos de medidas de protección contra la lluvia para antenas

La figura 7 muestra un ejemplo de las características de recepción de ondas de radio medidas utilizando una antena BS (banda de 12 GHz).
Al comparar antenas con y sin revestimiento súper hidrofóbico HIREC, durante la lluvia (17:00-19:00), las antenas sin recubrimiento HIREC experimentaron una atenuación de aproximadamente 3-4 dB, mientras que las antenas con recubrimiento HIREC no mostraron atenuación.
Aunque se desconoce la intensidad de la lluvia, no se produjo atenuación en la antena pintada con HIREC, por lo que se estima que es de 5 mm/h o menos según el gráfico de intensidad y atenuación de la lluvia.
Además, en la gráfica de intensidad y atenuación de la lluvia, la atenuación en la banda de 12 GHz con una intensidad de lluvia de 5 mm/h es de aproximadamente 1 dB. Por lo tanto, la atenuación de 3-4 dB en la Figura 7 puede interpretarse como atenuación por película de agua, no como atenuación por lluvia.
Además, el hecho de que la atenuación siga produciéndose después de las 19:00, cuando ha cesado la lluvia, respalda la idea de que se trata de una atenuación por película de agua causada por la presencia de una película de agua en la superficie de la antena.
En otras palabras, esto indica que si llueve sobre la antena, se producirá atenuación por película de agua durante un tiempo, incluso después de que cese la lluvia. Por otro lado, no se produce atenuación en la antena recubierta con revestimiento súper hidrofóbico HIREC, lo que indica que prácticamente no se forma película de agua en la superficie de la antena.
En base a lo anterior, revestimiento súper hidrofóbico HIREC puede considerarse una de las contramedidas prometedoras contra la atenuación de la película de agua.
Finalmente, existen informes que indican que la atenuación por película de agua ocurre incluso a frecuencias inferiores a 10 GHz, pero esto aún no está confirmado. Añadiremos la información más reciente en cuanto tengamos más detalles.

Medidas de protección contra la nieve mediante el uso de láminas impermeables en las antenas.

La sábana repelente al agua se puede usar incluso en invierno.

Tradicionalmente, las medidas de protección contra la nieve han consistido principalmente en la instalación directa de soluciones en antenas y otras estructuras, pero un desafío importante ha sido que la instalación in situ es imposible en invierno debido a las bajas temperaturas.
Por lo tanto, presentaremos un ejemplo de una lámina hidrófuga que permite proteger los equipos en obra de la nieve incluso en invierno.

Ventajas de las sábanas repelentes al agua

• Se puede instalar incluso en invierno ← No es posible pintar la antena in situ a temperaturas inferiores a 5 °C.
• Se puede instalar en 1-2 horas ← Se requieren al menos 2 días para la instalación in situ de la antena

Desventajas de las sábanas repelentes al agua

• Vida útil aproximada de 1 año (dependiendo de la resistencia a la intemperie del material de la lámina) ← Aproximadamente 3 años en el caso de pintura convencional in situ

*Material de la lámina repelente al agua: Polietileno (PE) o poliéster
Las fundas impermeables se fabrican bajo pedido. Póngase en contacto con nosotros para obtener más información.

Estructura y aplicación práctica de láminas hidrófugas

Reflector: Lámina hidrófuga

• Una lámina de polietileno o poliéster (zona azul) está recubierta con revestimiento súper hidrofóbico [imprimación HIREC (zona verde claro) y HIREC 100 (zona roja)].
  La fotografía de la derecha muestra la lámina hidrófuga adherida a la parte reflectora de la antena.

Convertidor (sección de captación de ondas de radio): Solo el HIREC100 (parte roja) está pintado con pincel.

• HIREC100 es un material funcional, no una pintura, por lo que al aplicarlo con brocha quedarán marcas (irregularidades). Estas marcas blancas son prueba de sus excelentes repelencia al agua. (Vista ampliada del convertidor)

*HIREC100 es el predecesor de HIREC-R. El rendimiento de ambos productos es equivalente.

Comparación del estado de recepción de ondas de radio con y sin recubrimientos repelentes al agua durante una nevada.

Nos gustaría presentar un experimento comparativo realizado durante las nevadas.

Antena sin tratar y repelente al agua

Formación de película de agua → Mala recepción

Antena hidrófuga de HIREC

Suprime la formación de una película de agua → Recepción normal

Estado de recepción de ondas de radio de la antena BS durante nevadas (Situación aproximadamente 14 meses después de la instalación de la antena BS)

Con una antena que no había sido tratada con un revestimiento hidrófugo, se produjeron varias veces interrupciones en la recepción (nivel de recepción del sintonizador inferior a 20).
Con la antena equipada con una cubierta hidrófuga (el convertidor también tenía un revestimiento hidrófugo), se produjo una disminución en la intensidad de la señal, pero la recepción seguía siendo posible.

Estado de recepción de ondas de radio de la antena BS durante nevadas (aproximadamente 26 meses después de la instalación de la antena)

Antena BS sin tratar y repelente al agua

Con las antenas BS que no estaban tratadas con un revestimiento hidrófugo, la recepción era imposible (nivel de recepción inferior a 20) o se observaba distorsión de la imagen durante varias decenas de minutos hasta casi 9 horas al día durante el período de grabación de 54 días.
La frecuencia fue de 15 veces.

Antena BS repelente al agua

Gracias a la antena BS repelente al agua, el nivel de recepción nunca bajó de 25.

Ejemplo detallado de recepción de ondas de radio

Se puede inferir que la razón por la que las emisiones de BS se recibieron con éxito fue porque prácticamente no se formó una película de agua en la sección de la antena y del convertidor tratada con un material repelente al agua.
Si bien existen dispositivos para derretir la nieve que evitan su acumulación en las antenas, la principal causa de la atenuación de las ondas de radio es el agua (película de agua), no la nieve ni el hielo. Por lo tanto, estos dispositivos podrían no ser eficaces para reducir la atenuación de las ondas de radio.

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