| Artículos | 01 ABR 2004

Conceptos básicos sobre antenas

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Enrique Cimadevilla.
Este séptimo artículo del curso de formación sobre redes Wi-Fi, elaborado para Dealer World por Wireless Mundi, completa al anterior en su intento de proporcionar una breve visión del diseño con antenas en instalaciones Wi-Fi. En esta ocasión, los contenidos abordan los conceptos básicos de antenas, clasificaciones y recomendaciones de diseño e instalación.

Parámetros fundamentales
Las antenas son los elementos de una red Wi-Fi que convierten la señal eléctrica que genera el emisor y le envía a través de un medio cableado, en una emisión electromagnética en el espacio aéreo abierto. Su función es simétrica: dicho dispositivo también recibe radiación y la concentra en el cable que lo conecta al receptor. Un emisor ideal, denominado isotrópico, ocuparía un punto en el espacio y radiaría homogéneamente en todas direcciones. En la práctica, las antenas tienen un forma y dimensiones definidas que condicionan el patrón de emisión y lo alejan de dicha cobertura esférica ideal. Con el fin de caracterizar las antenas, se definen una serie de conceptos habitualmente incluidos en las hojas técnicas de los fabricantes y que se detallan a continuación:

Ganancia. Orienta sobre la cantidad de radiación que se emite, realizando el cociente entre la potencia de señal en la dirección en la que alcanza su máximo y la equivalente de un emisor isotrópico ideal. Dicho cociente se calcula en forma logarítmica, expresándose en dBi, siglas correspondientes a decibelios referidos a un emisor isotrópico ideal. Es habitual confundir este concepto con el de ganancia de amplificación: las antenas no son elementos activos y la misión que realmente realizan es la concentración de la señal a propagar en unas áreas privilegiadas, lo que le hace equivalente al caso isotrópico con una potencia muy superior.

Polarización. Toda señal electromagnética está compuesta por un campo eléctrico oscilante y un campo magnético asociado perpendicular al anterior (Figura 1). La forma y tecnología de la antena determinan si el campo eléctrico oscila perpendicular o paralelamente al eje principal de la antena. Esta información, junto con la orientación de la antena en su ubicación, determinará si finalmente el campo eléctrico oscilará paralelamente al plano de tierra (polarización horizontal) o perpendicularmente (vertical). Otras polarizaciones menos comunes son la circular y la elíptica. Para una óptima recepción de la potencia, el emisor y receptor deben estar alineados, con visibilidad directa y con la misma orientación de antena. En el caso de una orientación perpendicular entre ambos extremos, las pérdidas pueden llegar a alcanzar los 20 dB frente al caso correcto, cifra muy elevada que impediría la correcta recepción de la señal necesaria y por tanto la operación. La polarización más frecuente en arquitecturas punto a multipunto e interiores es la vertical. Para enlaces punto a punto se suele emplear la horizontal, por su mejor comportamiento ante obstáculos.

Patrón de radiación. Toda antena posee un patrón tridimensional de emisión de la radiación en el cual suele destacar un lóbulo principal. Para facilitar el diseño, se vuelca en dos gráficas, un plano azimutal y otro de elevación, que muestran la potencia emitida frente a la distancia en un área circular.

VSWR (Voltage Standing Wave Ratio). Parte de la potencia que se inyecta en la antena no llega a ser eficientemente emitida por la inadecuada adaptación de la impedancia de la antena al medio de transmisión, siendo entonces devuelta por el cable hacia el amplificador del emisor. Esto puede generar distorsiones que afecten al comportamiento del amplificador y, por tanto, a la señal emitida. Este factor indica la cantidad de potencia inyectada a la antena frente a la efectivamente transmitida. Por lo general, las antenas exhiben unos valores entre 1,5:1, considerado excelente, y 2:1 (bueno). En el caso ideal, 1:1, toda la potencia recibida es transmitida al medio aéreo.

F/B (front-to-back) ratio. Además del lóbulo principal de emisión que caracteriza las antenas directivas, es inevitable la aparición de otros secundarios en diferentes direcciones, comúnmente en la opuesta debido al propio diseño físico del dispositivo. La relación F/B mide la relación de potencia entre la emitida por el lóbulo principal y la de los traseros, medida en decibelios. Los valores comerciales oscilan entre 10 (características pobres) y 30 dB (excelentes).

Clasificaciones
Existen diferentes clasificaciones de las antenas, según sus parámetros fundamentales. La primera de ellas atiende a la forma del patrón de la radiación:

Isotrópica: Emite en todas las direcciones homogéneamente.

Omnidireccionales: En uno de los planos emite en todas las direcciones, mientras que en el otro sólo tiene un ángulo de apertura. La figura de radiación es similar a un toroide (Figura 2). Un caso especial es el dipolo, con un tamaño de cada segmento lateral de un cuarto de la longitud de onda a la frecuencia de emisión, que, para el rango de operación Wi-Fi, supone unos pocos centímetros.

Direccionales o sectoriales: Existe un lóbulo de emisión principal con un ángulo azimutal que oscila entre 10 y 180 grados.

De alta ganancia: El lóbulo es muy estrecho, con una apertura en ambos planos por debajo de los 10 grados. Al concentrar la potencia en un haz tan delgado, el alcance es muy elevado.

Otra clasificación posible tendría en cuenta la naturaleza física de la propia antena (Figura 3):

Dipolos: Puede ser un único elemento o se pueden superponer varios, con el fin de reducir el ángulo de apertura y extender el alcance en el plano azimutal, por lo que las radiaciones quedan más confinadas en el plano horizontal. El patrón de radiación es omnidireccional.

Planas: Son antenas direccionales generalmente rectangulares y de reducido espesor, adecuadas para su instalación en paredes.

Yagi y helicoidales: Son antenas direccionales de ganancia media a elevada.

Guía de ondas ranurada: Desarrollada por Trevor Marshall, se emplea una guía de ondas rectangular en la que se han realizado una serie de incisiones con un patrón específico. Se alcanzan ganancias elevadas.

Parabólicas y de rejilla: Conforman el grupo de mayor ganancia, y, por ello, directividad, existente. Se pueden obtener ganancias de 24 decibelios con ángulos de apertura de tan sólo cuatro grados y alcances de varios kilómetros, lo que suele conllevar un ajuste muy preciso de la orientación.

Finalmente también se pueden caracterizar por su ubicación:

Interiores. Las antenas son de tamaño pequeño, por lo general omnidireccionales y direccionales de ángulo azimutal elevado (60 a 180 grados). Disponen de fijaciones sencillas para pared o pequeños pedestales. La estética es igualmente un factor importante.

Exteriores. Son antenas muy robustas, pues tienen que soportar las inclemencias climatológicas. Deben ser perfectamente estancas. El fabricante especifica el margen de temperatura de funcionamiento y resistencia ante el viento (velocidad máxima). Están preparadas para su instalación sobre mástiles y paredes.

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