Antenas y sistemas radiantes
La antena es el transductor entre el cable y el espacio libre. Es también el componente que más rinde cuando está bien elegido y bien instalado: en un enlace, duplicar la ganancia de antena vale más que duplicar la potencia, y sale mucho más barato.
01Los parámetros que definen una antena
| Parámetro | Qué significa |
|---|---|
| Ganancia | Cuánto concentra la energía en una dirección, comparada con una referencia. En dBi respecto de la isotrópica ideal y en dBd respecto de un dipolo: dBi = dBd + 2,15. |
| Diagrama de radiación | El «mapa» de hacia dónde radia, en los planos horizontal y vertical. Una antena no amplifica: reparte. |
| Ancho de haz | El ángulo dentro del cual la potencia cae menos de 3 dB. Más ganancia siempre significa haz más angosto y apuntamiento más crítico. |
| Polarización | La orientación del campo eléctrico: vertical, horizontal o circular. Dos antenas cruzadas pierden 20 a 30 dB. |
| Impedancia | Lo que la antena «le muestra» a la línea. El estándar es 50 Ω (75 Ω en TV y video). |
| ROE | Cuán bien adaptada está. 1:1 es perfecto; por encima de 2:1 conviene revisar. |
| Ancho de banda | En qué rango mantiene su ROE y su diagrama. Un dipolo simple es angosto; una log-periódica cubre décadas. |
| Relación frente-espalda | Cuánto menos radia hacia atrás. Importa para rechazar interferencias. |
Una antena se comporta exactamente igual transmitiendo que recibiendo: la misma ganancia, el mismo diagrama, la misma polarización. Por eso todo lo que se estudia para transmisión vale idéntico para recepción, y por eso una antena que transmite mal también recibe mal.
02Tipos y sus diagramas
| Antena | Ganancia | Impedancia | Cuándo se usa |
|---|---|---|---|
| Isotrópica | 0 dBi | — | No existe: es sólo la referencia teórica. |
| Dipolo λ/2 | 2,15 dBi | ≈ 73 Ω | La antena básica. Radia en toda la circunferencia perpendicular a su eje. |
| Monopolo λ/4 con plano de tierra | 2 a 5 dBi | ≈ 36 Ω | Móviles, handies, techo de auto. La mitad del dipolo, con el plano de tierra haciendo de espejo. |
| Yagi | 7 a 15 dBi | 50 Ω con adaptador | Direccional clásica: un elemento alimentado, un reflector y varios directores. TV, enlaces punto a punto. |
| Log-periódica | 6 a 10 dBi | 50 Ω | Cuando hace falta cubrir un rango muy amplio de frecuencias con un solo elemento. |
| Panel | 12 a 20 dBi | 50 Ω | Celulares y WiFi: cubre un sector; se instalan de a tres para 360°. |
| Parabólica | 20 a 50 dBi | 50 Ω | Enlaces de microondas y satélite. Ganancia enorme, haz de pocos grados. |
- Dipolo para 100 MHz (banda de FM): 143/100 = 1,43 m, o sea 71,5 cm por rama.
- Dipolo para 2400 MHz (WiFi): 143/2400 = 5,96 cm. Por eso las antenas de un router son tan chicas.
- Monopolo λ/4 para 433 MHz: 71,5/433 = 16,5 cm. Es el pedacito de alambre de los módulos de radio, y cortarlo «para que entre en la caja» arruina el alcance.
- Parabólica de 1,2 m a 10 GHz (λ = 3 cm): G = 10·log(0,55 × (π × 1,2/0,03)²) = 10·log(0,55 × 15 791) = 39,4 dBi. Con un haz de apenas 1,8°: hay que apuntar en serio.
03La línea de transmisión
El cable entre el equipo y la antena no es un cable común: es una línea de transmisión con su impedancia característica, y todo lo que no esté adaptado vuelve.
| ROE | Potencia reflejada | Interpretación |
|---|---|---|
| 1,0 : 1 | 0 % | Adaptación perfecta. Ideal teórico. |
| 1,5 : 1 | 4 % | Muy buena. Es lo que se busca en una instalación real. |
| 2,0 : 1 | 11 % | Aceptable. Límite habitual para dar por buena una antena. |
| 3,0 : 1 | 25 % | Hay que revisar: conector, cable, antena o frecuencia equivocada. |
| ∞ | 100 % | Circuito abierto o cortocircuito: toda la potencia vuelve al transmisor. |
Con la salida abierta o en cortocircuito, toda la potencia vuelve a la etapa final y la destruye. Los equipos modernos tienen protección que baja la potencia ante ROE alta, pero no todos, y no siempre actúa a tiempo. La regla es simple: antena o carga fantasma, siempre, antes de transmitir.
| Cable | Z | Pérdida a 100 MHz | Pérdida a 2,4 GHz | Uso |
|---|---|---|---|---|
| RG-58 | 50 Ω | ≈ 0,17 dB/m | ≈ 1,0 dB/m | Tramos cortos, VHF. En 2,4 GHz, 10 m se comen 10 dB: inaceptable. |
| RG-213 | 50 Ω | ≈ 0,07 dB/m | ≈ 0,5 dB/m | Estándar para HF y VHF. |
| LMR-400 | 50 Ω | ≈ 0,04 dB/m | ≈ 0,22 dB/m | Enlaces de UHF y microondas. |
| RG-6 | 75 Ω | ≈ 0,07 dB/m | — | TV y video: otra impedancia, no se mezcla con los de 50 Ω. |
En 2,4 GHz, 20 metros de RG-58 significan 20 dB de pérdida: de 100 mW quedan 1 mW. Y como la antena es recíproca, esa pérdida se paga dos veces, en transmisión y en recepción. Por eso en microondas se acorta el coaxial todo lo posible, se usa cable de bajas pérdidas, y muchas veces se pone el equipo arriba del mástil, junto a la antena, llevando datos por Ethernet.
- Un balun une un cable coaxial —desbalanceado— con una antena balanceada como el dipolo. Sin él, la malla del coaxial radia y el diagrama se deforma.
- El factor de velocidad dice cuánto más lento viaja la señal dentro del cable respecto del vacío: 0,66 en RG-58 con dieléctrico sólido, 0,85 en los de espuma. Importa cada vez que se corta un tramo de longitud calculada, como en un adaptador de cuarto de onda.
04Montaje e instalación
- Altura: es lo que más rinde, sobre todo en VHF y UHF (ver el horizonte radioeléctrico en comunicaciones analógicas).
- Despeje: nada metálico ni vegetación cerca, y línea de vista libre.
- Polarización coincidente con la del otro extremo.
- Apuntamiento: en una parabólica de 2°, errar por un grado ya cuesta varios dB.
- Nunca cerca de líneas eléctricas: la distancia de seguridad se calcula suponiendo que el mástil se cae.
- Puesta a tierra del mástil y protector de descargas en la línea, antes de entrar al edificio.
- Conectores sellados con cinta autovulcanizante: el agua adentro del coaxial lo arruina en semanas.
- Riendas correctamente tensadas y ancladas; trabajo en altura con arnés y con otra persona presente.
- Nunca acercarse al frente de una parabólica ni de un panel con el transmisor encendido.
05En el laboratorio
Calcular y construir un dipolo de media onda para la banda de FM o para 433 MHz, con balun casero. Medir la ROE con un medidor o un analizador de antena y ajustar la longitud hasta el mínimo. Anotar cómo se corre la frecuencia de resonancia al acortar cada rama: es la manera de entender la relación entre longitud y frecuencia.
Con un transmisor de poca potencia fijo y un receptor con indicador de señal, girar la antena bajo prueba de a 15° y anotar el nivel recibido. Graficar en coordenadas polares. Comparar un dipolo con una Yagi: se ve la diferencia entre repartir y concentrar.
Con dos antenas iguales, medir el nivel recibido con las dos verticales, las dos horizontales y una de cada manera. La pérdida por polarización cruzada es de 20 dB o más: la señal prácticamente desaparece.
Medir la potencia recibida con un tramo corto de coaxial y con 20 m del mismo cable. Calcular la pérdida en dB por metro y compararla con la especificación del fabricante. Repetir con dos cables de distinta calidad.
06Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| ROE alta en una antena nueva | Longitud incorrecta, conector mal armado, cable dañado o frecuencia fuera de la banda de la antena. |
| La ROE mejora con el cable largo | Mala señal: la pérdida del cable enmascara la reflexión. Un cable muy malo «mejora» la ROE y empeora el enlace. |
| El enlace anda mucho peor de lo calculado | Polarizaciones cruzadas, o pérdida del coaxial subestimada. |
| La antena funciona en el piso y no en el mástil | Cambió el entorno: acoplamiento con el mástil, con las riendas o con estructuras metálicas cercanas. |
| El equipo se quema al transmitir | Sin antena o sin carga fantasma: la potencia vuelve entera. |
| La instalación se degrada a los meses | Agua dentro del coaxial por conectores mal sellados. |
| Se dañó el equipo después de una tormenta | Falta de puesta a tierra y de protector de descargas en la línea. |
| Se cortó el latiguillo de un módulo de 433 MHz «para que entre» | Deja de medir λ/4 y la antena se desadapta: el alcance cae de cientos de metros a unos pocos. |
07Autoevaluación
¿Cuánto mide un dipolo de media onda para 145 MHz?
L = 143/145 = 0,99 m, casi un metro, con dos ramas de unos 49 cm.
Una antena tiene 12 dBd de ganancia. ¿Cuántos dBi son?
dBi = dBd + 2,15 = 14,15 dBi. Siempre hay que fijarse en la referencia: confundirlas exagera la ganancia en más de 2 dB.
¿Qué significa que una antena tenga ganancia si no amplifica?
Que concentra la energía en una dirección a costa de quitarla de otras. La potencia total radiada es la misma; lo que cambia es cómo se reparte.
¿Qué relación hay entre ganancia y ancho de haz?
Son inversas: más ganancia implica haz más angosto, y por lo tanto apuntamiento más crítico y menos tolerancia a movimientos del mástil.
¿Qué pasa si se conectan dos antenas con polarizaciones cruzadas?
Se pierden 20 a 30 dB: la señal cae a una centésima o menos. Es uno de los errores de instalación más caros y más fáciles de evitar.
Con una ROE de 2:1, ¿cuánta potencia vuelve?
Alrededor del 11 %. Es el límite habitual para dar por aceptable una instalación; por encima de 3:1 hay que buscar el problema.
Ganancia de una parabólica de 60 cm a 12 GHz.
λ = 300/12 000 = 0,025 m. G = 10·log(0,55 × (π × 0,6/0,025)²) = 10·log(0,55 × 5685) = 35 dBi.
¿Por qué en 2,4 GHz se pone el equipo arriba del mástil?
Porque el coaxial pierde muchísimo a esa frecuencia —del orden de 1 dB por metro en cable común— y esa pérdida se paga en transmisión y en recepción. Subiendo el equipo, el coaxial se reduce a un latiguillo corto.
¿Para qué sirve un balun?
Para unir una línea desbalanceada —el coaxial— con una antena balanceada, como el dipolo. Sin él, circula corriente por la parte exterior de la malla, que radia y deforma el diagrama.
¿Qué precaución elemental hay que tomar antes de transmitir?
Tener conectada la antena o una carga fantasma. Transmitir con la salida abierta o en corto devuelve toda la potencia a la etapa final y la destruye.