¿Por qué decimos que una antena tiene ganancia?

¿Por qué decimos que una antena tiene ganancia?

La construcción y operación de antenas se encuentran entre las cuestiones más complejas en el campo de la electrónica. Mientras tanto, con relativa frecuencia necesitamos comprar una antena, no sólo para implementar nuestros propios proyectos electrónicos, sino también para recibir una señal de televisión o ampliar el alcance de una red WiFi doméstica. En esta ocasión probablemente a todos nos hemos topado con el concepto de “ganancia de energía de antena”. Pero ¿qué significa realmente?

Por un lado, el diseño de antenas tiene fundamentos teóricos avanzados; por otro: la práctica de las radiocomunicaciones se basa en experimentos, pruebas y está en constante evolución. Ingenieros electrónicos principiantes que buscan información sobre antenas, rápidamente pueden sentirse abrumados por fórmulas matemáticas complejas, llenas de referencias a la trigonometría y la estereometría. Por supuesto, son necesarios para una comprensión profunda del tema, pero un entusiasta de la electrónica (especialmente un principio) debería centrarse primero en el concepto de cuestiones básicas en el campo de la emisión y recepción de ondas de radio. Esto evitará malentendidos y facilitará la selección de accesorios óptimos.

En este artículo respondemos a las preguntas:

• ¿Qué es la transmisión por radio?
• ¿Cómo funciona una antena?
• ¿Qué significa "directividad de la antena"?
• ¿Por qué los parámetros de la antena se dan en decibelios?
• ¿Cómo entender la ganancia de energía de una antena?

Intentemos entonces explicar términos como "ganancia de energía", "directividad" o "dBi", pero no nos dejemos desanimar por la trigonometría. Intentemos comprender los fenómenos a los que se refieren estos conceptos y consideremos por qué se utilizan ciertas unidades para describirlos y no otras.

Conceptos básicos

Primero, acostumbrémonos a la terminología utilizada en ingeniería de radio. Afortunadamente, contiene muchos conceptos que ya conocemos de la teoría y la práctica de la electrónica. Todo lo que se necesita es un poco de imaginación para visualizar ondas de radio y comprender cómo las usamos para transmitir datos.

Campo electromagnético, ondas y radiación

El campo electromagnético es un estado del espacio. Como sugiere el nombre, consta de dos campos: magnético y eléctrico, que interactúan entre sí. Conocemos muy bien ejemplos de este impacto en la práctica, porque estos fenómenos se utilizan en:

1. motores (la corriente que fluye en la bobina excita un campo magnético y hace que la bobina sea rechazada o atraída por el imán);
2. generadores, alternadores etc. (un imán en movimiento induce una corriente eléctrica en el cable).

Una onda electromagnética es una perturbación del campo electromagnético. Se propaga en el espacio a una velocidad de aproximadamente 300 millones de m/s (este valor no se llama velocidad de la luz por una razón). En otras palabras, el estado del campo electromagnético se mueve a esta velocidad en el espacio. Por lo tanto, una conclusión simple es que si las perturbaciones tienen una frecuencia de 1 Hz (es decir, su curso se repite una vez por segundo), la longitud de onda es de aproximadamente 300000000 m. En la práctica, longitud de onda y frecuencia de onda son medidas de la misma propiedad. Cuanto mayor es la frecuencia, más corta es la onda. En las fórmulas y parametrización se marca la frecuencia con la letra f (del inglés: frequency), mientras que la longitud con el símbolo griego λ (lambda).

Las ondas que se propagan en el espacio son radiación. Muy a menudo, "encontramos" radiación, que comúnmente llamamos luz. De facto esto significa que la fuente del campo electromagnético cambia a una frecuencia de 400THz a 790THz (terahercios) y, por lo tanto, produce ondas con longitudes de 380nm a 700nm (nanómetros). Registramos esa radiación con nuestros ojos. Por supuesto, existen ondas de otras frecuencias, pero son invisibles para el ojo humano.

Ondas de radio, transmisión y recepción, antenas

Si la longitud de la onda electromagnética supera 1 m (frecuencias inferiores a 300 MHz), estamos ante "ondas de radio". Al igual que con la palabra "luz", este término no se refiere a un fenómeno separado, sino que solo indica de qué frecuencias de radiación electromagnética estamos hablando. Actualmente, la transmisión inalámbrica utiliza no sólo ondas de radio, sino también microondas con frecuencias de hasta 5 GHz.

Surge la pregunta: ¿cómo transmitir y recibir ondas de radio?

Fig. 1. Animación que ilustra la excitación de corriente por ondas electromagnéticas.[Fuente: Wikipedia Commons]

Como ya hemos mencionado, la radiación electromagnética se produce por la corriente eléctrica que fluye a través de un cable. Si por un cable fluye corriente alterna cuya frecuencia es (por ejemplo) 100 MHz, el cable comenzará a "transmitir" una señal de radio a esta frecuencia. De manera análoga: en un cable afectado por ondas de radio con una frecuencia de 100 MHz, se inducirá una corriente eléctrica alterna con el mismo período. Un "cable" de este tipo, o más bien un conductor, cuando está adaptado para realizar funciones de transmisión, se llama radiador y, de manera más general (y cuando también hablamos de recepción), antena.

Tenga en cuenta que los diseños de antenas pueden ser complejos e incluir elementos como reflectores o directores que no están conectados directamente al transmisor.

Antena dipolo estándar

Fuente isotrópica

El segundo tipo de antena, al que a menudo se hace referencia en los diseños y parámetros de los productos de radiocomunicaciones, es una fuente isotrópica. A diferencia de un dipolo, es un objeto puramente teórico. No tiene tamaño porque es un punto en el espacio. En la práctica, los objetos más cercanos a la fuente isotrópica son estrellas observadas desde una gran distancia: producen ondas electromagnéticas que irradian de forma esférica. Una antena isotrópica es un objeto que recibe ondas electromagnéticas (también en puntos y desde todas las direcciones). En ambos casos, se supone que la energía recibida (enviada) por dicho objeto no está sujeta a pérdidas (que en la práctica son causadas, entre otras cosas, por la resistencia y la impedancia).

Directividad de la antena

Dado que el elemento isotrópico es un punto teórico, recibe e irradia con igual potencia en todas las direcciones. En la práctica, rara vez necesitamos antenas que funcionen de esta manera.

Fig. 3. La mayoría de los elementos de una antena YAGI son reflectores y directores cuya tarea es obtener una alta directividad.

Consideremos el ejemplo de recibir y transmitir televisión terrestre. Si queremos recibir una señal DVB-T, primero comprobamos dónde se encuentra el transmisor más cercano. No es necesario recibir señales desde todas las direcciones, porque la fuente de interés será una ubicación específica. Por ello, para recibir televisión se suelen utilizar antenas direccionales, con las que el instalador "apunta" a la estación emisora. Un ejemplo de una antena de este tipo es el tipo YAGI, en la que solo un pequeño dipolo colocado cerca del reflector está conectado al receptor (Fig. 3); todos los demás elementos del dispositivo se utilizan para amplificar la señal proveniente de una dirección determinada. (y a una frecuencia determinada) y atenuar las señales provenientes de otras fuentes, para minimizar las interrupciones.

Lo mismo se aplica a la transmisión de una señal de televisión. Si la transmisión se realiza en toda la ciudad, queremos cubrir con radiación un área lo más amplia posible – por lo tanto las ondas deberían propagarse más o menos paralelas a la superficie del suelo. La energía que usaría la estación para transmitir la señal hacia el cielo se desperdiciaría. Tampoco es necesario cubrir fuertemente con la señal los edificios cercanos a la estación, porque incluso una señal más débil allí tendrá una potencia relativamente alta.

Decibelios (dB) y escala logarítmica

La direccionalidad de la antena se presenta en su documentación. Generalmente en forma de dos gráficos (características horizontales y características verticales) o un gráfico tridimensional. Así se ilustra:

• cuál será la distribución espacial de la potencia radiada por la antena (en el caso de una antena transmisora);
• ¿Cuál es la relación entre la dirección de donde provienen las ondas electromagnéticas y la potencia eléctrica excitada en la antena (en el caso de una antena receptora)?

Tomando como ejemplo la antena 6024B300LL100SMA de la marca 2J de la oferta de TME (Fig. 5.). Este es un producto diseñado para la comunicación en redes LTE, que incluye: en la banda de 2600MHz (la direccionalidad y la ganancia se dan para frecuencias específicas a las que se ha adaptado la antena). Dado que este artículo está destinado a colocarse en el techo de un automóvil o a una carcasa metálica, la potencia radiada hacia abajo por la antena (valores Z negativos) es mucho menor que la potencia que se irradiará hacia arriba (es decir, hacia los transmisores de comunicaciones móviles). Lo mismo se aplicará a la recepción.

Fig. 5. Directividad de la antena LTE presentada en forma de tabla y gráficos.

Tenga en cuenta que la potencia no se expresa en vatios, sino en decibelios. Esta es una práctica común y tiene dos justificaciones:

1. Los valores presentados son relativos (dependientes de la potencia del transmisor, que se desconoce), por lo que es imposible darlos en vatios.
2. Los decibelios (dB) son unidades de escala logarítmica, lo que facilita la presentación de datos con grandes variaciones de valores.

Si el gráfico muestra valores dados en dB (a diferencia de dBW, dBi y dBd), significa que el fabricante proporciona la relación entre la potencia alimentada a la antena y la potencia radiada. Como puede verse en los gráficos (Fig. 5), las ondas electromagnéticas se transmitirán hacia arriba con una potencia de aproximadamente 5 dB con respecto a la potencia del transmisor. Esto significa una proporción de aproximadamente 1 a 3,16. Por supuesto, tal ganancia no surge de la nada: este valor se obtiene a expensas de una radiación descendente limitada, donde la potencia de salida cae a aproximadamente -23 dB (1 a 0,005).

La escala logarítmica simplificada utilizada para determinar la relación de potencia es la siguiente:

Ganancia de energía de la antena

Ahora que tenemos una comprensión general de las características de las antenas, podemos abordar su parámetro más práctico: la ganancia de energía.

La ganancia de energía tiene en cuenta no sólo la direccionalidad de la antena, sino también su eficacia, que se ve influenciada por las propiedades eléctricas (por ejemplo, la resistencia del radiador). Este parámetro le da al usuario una idea aproximada de cómo se comportará la antena en la práctica. Normalmente, la ganancia de una antena se mide midiendo su radiación (o calidad de recepción) en el punto de mayor directividad. En el ejemplo de la antena 2J citada anteriormente (Fig. 5), esta sería la parte superior del bloque en el eje Z.

La ganancia se expresa en unidades de dBi o dBd. Esto significa la ganancia expresada en decibelios con respecto a una antena isotrópica (dBi) o un dipolo de referencia (dBd).

En otras palabras: la ganancia de la antena es la relación entre la energía recibida (radiada) por una antena determinada y la energía que sería recibida (irradiada) por una antena teórica conectada al mismo receptor (transmisor). Aquí suponemos medición de potencia en la dirección óptima.

En la mayoría de los casos, nos encontraremos con la ganancia de energía expresada en dBi; sin embargo, esto es una referencia a una antena teórica que no se puede construir y que irradia el 100% de la energía suministrada. Por ello a la hora de realizar mediciones se utiliza en los laboratorios una antena dipolo estándar y el valor isotrópico se calcula en base a los valores obtenidos con ella. Se puede utilizar una aproximación G_dBi ≈ G_dBd + 2,15dB. Dónde G es la ganancia del inglés: gain.

Unidad dBW

En los textos donde se menciona potencia del transmisor, este valor a veces se da en decibelios-vatios (dBW). Estas unidades no tienen conexión con las antenas ni su ganancia; son una forma de convertir la potencia en una proporción de 1W. Por tanto: 0dBW = 1W, 10dBW = 10W, 20dBW = 100W, etc. (según la tabla anterior).