La comunicación inalámbrica crece a un ritmo increíblemente rápido. En la última década, la cantidad de usuarios de teléfonos inteligentes casi se cuadriplicó, según Statista. Casi todas las industrias ahora implementan dispositivos inalámbricos. La infraestructura inteligente, el Internet de las cosas, los vehículos inteligentes y la industria del entretenimiento se encuentran entre los campos en los que los sistemas de antenas avanzadas son fundamentales para su existencia. Este artículo identifica los principios fundamentales de los sistemas de antenas, los diferentes tipos de antenas y cómo podría ser el futuro de las antenas avanzadas.
Cuatro características de las antenas modernas
Los sistemas actuales de antenas avanzadas permiten la transmisión y la recepción de ondas electromagnéticas con mejor eficiencia, calidad de señal y cobertura ampliada. Para diseñar estos sistemas y obtener un rendimiento óptimo, los ingenieros consideran cuatro características fundamentales de las antenas para cada aplicación específica.
La frecuencia electromagnética
La frecuencia de radiación electromagnética se puede ajustar. Este nivel medible se denomina RF (radiofrecuencia) y ocupa bandas de frecuencia específicas del espectro electromagnético. Las antenas operan al convertir las señales eléctricas en ondas electromagnéticas para la transmisión y la recepción. La aplicación determina las frecuencias de estas ondas.
Por ejemplo, las antenas de radar más allá del horizonte de larga distancia pueden transmitir y recibir ondas electromagnéticas de menor frecuencia que oscilan entre 3 y 30 MHz, mientras que las antenas 5G transmiten y reciben frecuencias mucho mayores que oscilan entre 450 MHz y 7 GHz, y 25 GHz y 52 GHz.
Ancho de banda de la antena
Mientras que las antenas simples procesan un frecuencia única, la mayoría de los sistemas de antenas avanzadas manejan un rango de frecuencias electromagnéticas. Este rango es el ancho de banda de la antena, el cual define el ancho del espectro entre las bandas de frecuencia admitidas más bajas y más altas.
Las antenas de bajo ancho de banda son altamente eficientes, simples y menos propensas a la interferencia. Sin embargo, son muy limitadas en su capacidad para adaptarse a los cambiantes estándares de comunicación. Fundamentalmente, operan en un rango de frecuencia limitado.
Las antenas de alto ancho de banda ofrecen una mayor flexibilidad en muchas bandas simultáneas y generalmente son compactas. Sin embargo, estas antenas son más propensas a la interferencia. Además, requieren diseño meticuloso y sistemas de interpretación de señal, lo cual las hace más costosas y complejas.
La ganancia de la antena
La “ganancia” de la antena se puede ajustar para dirigir y concentrar la energía radiada en una dirección específica. La ganancia de la antena, medida en decibeles (dB), determina la eficacia de las señales que se transmiten o reciben. Las antenas de transmisión envían señales de radio a varios receptores en diferentes distancias de manera simultánea, lo que resulta en valores muy altos de ganancia, desde decenas hasta cientos de decibeles. Mientras tanto, las antenas de wifi en los hogares están diseñadas para cubrir un rango limitado y pocas veces tienen ganancias superiores a los 10 decibeles. Intuitivamente, cuanto mayor es el valor de ganancia de la antena, mayor es la potencia requerida para producir la señal.
Polarización de señal
La polarización de la antena hace referencia a la orientación del componente de campo eléctrico de la onda electromagnética creada o recibida por la antena. La polarización de la antena se puede utilizar para aumentar el rendimiento de la antena de punto a punto. Hay tres tipos principales de polarización: vertical (lineal), horizontal (lineal) y circular.
- Las antenas de polarización vertical se utilizan habitualmente en los sistemas de transmisión dado que muchas antenas receptoras se orientan verticalmente, como las antenas para automóviles.
- La orientación horizontal se suele utilizar en comunicación de larga distancia de punto a punto, dado que estas señales son menos vulnerables a las condiciones atmosféricas como la lluvia, que pueden dispersar la señal y reducir la integridad.
- Las antenas de polarización circular se hallan habitualmente en los sistemas de comunicación por satélite. Se pueden utilizar independientemente de la orientación o la rotación de las antenas receptoras, las cuales pueden cambiar con el movimiento de la antena.
Tipos de antenas fundamentales
Hay varios tipos de antenas habituales que ofrecen características únicas, las cuales las hacen adecuadas para aplicaciones específicas e inadecuadas para otras.
Antenas dipolo
Las antenas dipolo, como Pulse Electronics W5017, son los tipos de antenas más reconocibles y suelen utilizarse en la transmisión de radio y televisión, así como en sistemas de comunicaciones inalámbricas, como enrutadores de wifi. Generalmente tienen un ancho de banda estrecho optimizado para una frecuencia específica. Cuentan con una ganancia moderada, que oscila entre 2 dB y 6 dB. Debido a su naturaleza lineal, pueden operar tanto en polarización vertical como horizontal.
Antenas con reflector parabólico
Las antenas con reflector parabólico, como 2867885, se denominan “platos satelitales”, debido a su uso diario en sistemas de comunicación por satélite, pero también se pueden utilizar para enlaces de comunicación de punto a punto de mayor alcance. Las antenas con reflector parabólico pueden tener un ancho de banda moderado a amplio, por lo tanto, soportan más frecuencias que una antena dipolo. Son conocidas por su alta ganancia, que oscila entre 20 dB y 100 dB, y pueden soportar tanto polarización lineal como circular.
Antenas de matriz
Las antenas de matriz consisten de muchos elementos individuales de antena organizados en un patrón. Al controlar intencionalmente la fase y la amplitud de cada elemento, las antenas de matriz pueden proporcionar formación de haces y desviar el haz de la señal al receptor para mejorar su calidad. Estos sistemas de antenas varían según la aplicación y pueden lograr anchos de banda moderados a amplios. Pueden proporcionar ganancia moderada, que oscila entre 10 dB y 30 dB, y pueden admitir la polarización lineal (horizontal o vertical) y circular. Sin embargo, la polarización de una antena de matriz es una función de la polarización de los elementos individuales de la antena. Las antenas de matriz suelen verse sobre las torres de telecomunicación y en áreas urbanas densamente pobladas. Estos sistemas de antenas de matriz admiten las infraestructuras complejas de comunicación, como las antenas 5G, infraestructura de multientrada, multisalida (MIMO, por sus siglas en inglés) y más.
Antenas de parche
Como antena de muy bajo perfil, las antenas de parche como Abracon APAGM2704A-C2G se utilizan en dispositivos portátiles y otros dispositivos de comunicación inalámbrica. Estas antenas consisten en un parche de metal plano montado sobre un substrato dieléctrico que se puede diseñar para admitir polarización lineal y circular. Las antenas de parche generalmente tienen valores moderados de ganancia, que oscilan entre 2 dB y 9 dB, y pueden lograr un ancho de banda amplio según la configuración.
Sistemas de antenas avanzadas del futuro
La física fundamental que admite los tipos de antenas inalámbricos nunca cambiarán, pero los sistemas que controlan, optimizan y amplifican la eficacia de la comunicación de la antena seguirán mejorando en su capacidad. El uso de diferentes tipos de antenas depende de la frecuencia, el ancho de banda, la ganancia y la polarización de la función de la antena. Los sistemas inalámbricos modernos están formados por los tipos de antenas enumerados en este artículo, así como por las antenas especialmente diseñadas que aprovechan los mismos tipos fundamentales de antenas. Las capacidades generales de cualquier sistema inalámbrico pueden verse drásticamente afectadas por la antena utilizada, pero también las puede manipular el sistema de control de la señal.
Muchas aplicaciones avanzadas de tecnología de antenas utilizan sistemas complejos de control, como MIMO, formación de haces, antena distribuida, multiplexación y sistemas de diversidad espacial. Estas aplicaciones utilizan los mismos atributos esenciales identificados en este artículo, pero pueden mejorar drásticamente el rendimiento de la comunicación en sistemas de comunicación inalámbrica actuales y futuros. Para obtener más información sobre este tema, consulte nuestro artículo, Aplicaciones avanzadas de la tecnología de antenas.
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