Antenas y enlaces radioeléctricos
Para un enlace de 30 km sobre terreno llano no alcanza con que las antenas se vean: en el centro, la Tierra sube 13 m y la zona de Fresnel mide 14 m de radio. Las torres necesitan unos 22 m.
01Lo que define a una antena
Una antena es el transductor entre una línea de transmisión y el espacio. La unidad de radiación dejó la resistencia de radiación, el diagrama y la directividad; para diseñar un enlace hacen falta además:
| Parámetro | Qué dice |
|---|---|
| Ganancia \( G = e \cdot D \) | La directividad descontadas las pérdidas de la antena; se da en dBi |
| Ancho del haz | El ángulo entre las direcciones donde la potencia cae a la mitad (−3 dB) |
| Impedancia y ancho de banda | El rango de frecuencias donde la ROE es aceptable, típicamente menor que 1,5 o 2 |
| Polarización | La orientación del campo eléctrico; las dos antenas del enlace tienen que coincidir |
| Relación frente/espalda | Cuánto menos irradia hacia atrás que hacia adelante |
Una antena funciona igual para transmitir que para recibir: por reciprocidad, el diagrama y la ganancia son los mismos. En recepción, la ganancia se traduce en un área efectiva:
02Antenas de uso corriente
| Antena | Ganancia típica | Uso |
|---|---|---|
| Monopolo de λ/4 sobre un plano de tierra | 5,2 dBi, 36 Ω | Radiodifusión en AM (la torre es el monopolo), móviles, radios de VHF |
| Dipolo de media onda | 2,15 dBi, 73 Ω | Referencia; elemento de antenas más grandes |
| Yagi-Uda | 8 a 15 dBi | Televisión, enlaces de VHF y UHF |
| Parche sobre placa | 6 a 9 dBi | GPS, Wi-Fi, arreglos de telefonía celular |
| Bocina | 10 a 25 dBi | Alimentador de parabólicas, patrón de medición |
| Parabólica de diámetro \( D \) | \( e\,(\pi D/\lambda)^2 \), 30 a 45 dBi | Enlaces de microondas y satelitales |
El monopolo aprovecha la imagen que forma el plano de tierra: se comporta como medio dipolo, con la mitad de la resistencia y el doble de directividad, porque irradia solo sobre el semiespacio superior. La parabólica concentra la energía en un haz de ancho aproximado \( 70°\, \lambda / D \): una de 0,6 m a 11 GHz tiene 34 dBi y un haz de 3°, y hay que apuntarla con esa precisión.
03La ecuación de Friis
Entre dos antenas en el espacio libre, separadas una distancia \( d \) mucho mayor que su tamaño, la potencia recibida es:
En decibeles, el enlace se arma sumando y restando, igual que el balance de una línea o el de una fibra: potencia del transmisor, menos cables, más ganancias, menos pérdida de trayecto. Lo que llega se compara con el umbral del receptor, que parte del ruido térmico, −174 dBm por hertz a temperatura ambiente, y le suma el ancho de banda, la figura de ruido y la relación señal a ruido que pide la modulación. La diferencia es el margen de desvanecimiento, la reserva para la lluvia y los cambios de propagación.
04Línea de vista y zonas de Fresnel
Un enlace de microondas no necesita solo ver la otra antena: la energía viaja por un volumen alrededor del rayo directo. La primera zona de Fresnel es el elipsoide donde el camino indirecto es hasta media longitud de onda más largo que el directo. Su radio en un punto a \( d_1 \) y \( d_2 \) de los extremos es:
El obstáculo más común en un enlace largo es la propia Tierra. La refracción de la atmósfera curva los rayos hacia abajo, y el efecto se modela con un radio terrestre efectivo de 4/3 del real. Aun así, en el centro de un enlace de 30 km el suelo sube 13 m sobre la recta que une las bases de las torres: las antenas tienen que estar a unos 22 m de altura para despejar el 60 % de la zona sobre terreno llano.
Dos parabólicas iguales, a la misma altura sobre terreno llano. El gráfico muestra el perfil (la escala vertical está muy ampliada): el abultamiento de la Tierra con radio efectivo de 4/3, la línea de vista y la primera zona de Fresnel, con el 60 % marcado. Radio de 23 dBm, 2 dB de pérdida en cables y un receptor de 28 MHz de ancho de banda con 6 dB de figura de ruido que necesita 17 dB de relación señal a ruido.
05Otros mecanismos de propagación
| Mecanismo | Frecuencias | Qué lo aprovecha |
|---|---|---|
| Onda de superficie | Onda larga y media | Radio AM de día, cientos de kilómetros sobre tierra húmeda o mar |
| Reflexión en la ionosfera | 3 a 30 MHz | Onda corta de alcance mundial, variable con la hora y el ciclo solar |
| Línea de vista | VHF en adelante | Televisión, telefonía celular, enlaces de microondas |
| Multitrayecto | UHF y microondas en ciudad | Las reflexiones en edificios; OFDM y MIMO las convierten en ventaja |
| Atenuación por lluvia | Por encima de unos 10 GHz | Fija el margen necesario en enlaces de 18 a 80 GHz |
06Dónde aparece en la electrónica
| Sistema | Lo que decide el enlace |
|---|---|
| Radioenlace entre radiobases | Parabólicas de 0,3 a 1,2 m en 6 a 38 GHz, con margen para la lluvia |
| Wi-Fi hogareño | Antenas de pocos dBi, paredes y multitrayecto antes que la distancia |
| Televisión satelital | Parabólica de 60 cm a 36 000 km, con amplificador de bajo ruido en el foco |
| Telemetría de campo | Yagi a cada lado para ganar alcance con transmisores de poca potencia |
La instalación y el alineamiento de antenas se ven en antenas y en enlaces de microondas, de la tecnicatura.
07En el laboratorio
Con dos antenas iguales enfrentadas a una distancia conocida en el campo lejano, medir la atenuación entre ellas con un generador y un analizador. Despejar la ganancia de cada una de la ecuación de Friis.
Girar una Yagi de UHF sobre un eje cada 10° frente a un transmisor fijo y graficar el diagrama. Medir el ancho del haz y la relación frente/espalda.
Con un perfil de terreno obtenido de un mapa de elevaciones, diseñar un enlace de 5,8 GHz entre dos puntos de la ciudad: altura de torres, antenas y margen.
08Errores frecuentes
- Creer que la pérdida de espacio libre depende de la frecuencia por sí misma. Crece con la frecuencia porque el área efectiva de una antena de ganancia fija se achica; con antenas de área fija, el enlace mejora al subir la frecuencia.
- Diseñar con línea de vista pero sin despejar la zona de Fresnel. El enlace funciona en la prueba y se cae con los cambios de refracción.
- Olvidar la polarización. Dos antenas cruzadas pierden 20 dB o más.
- No dejar margen. Un enlace de 18 GHz sin margen se corta con la primera tormenta.
09Autoevaluación
¿Cuánto vale la pérdida de espacio libre en 30 km a 11 GHz?
\( 32{,}45 + 20\log 11\,000 + 20\log 30 \approx 142{,}8 \) dB.
¿Qué ganancia tiene una parabólica de 0,6 m a 11 GHz con 55 % de eficiencia?
\( 0{,}55\,(\pi \cdot 0{,}6 / 0{,}0273)^2 \approx 2630 \), es decir, 34,2 dBi.
¿Cuánto cambia la potencia recibida si se duplica la distancia?
Baja 6 dB, a la cuarta parte.
¿Por qué un monopolo de λ/4 tiene 36 Ω y no 73 Ω?
Porque con su imagen en el plano de tierra forma un dipolo de media onda, pero solo la mitad superior irradia: la misma corriente entrega la mitad de la potencia.
10Para ampliar
- Constantine A. Balanis. Antenna Theory: Analysis and Design. 4.ª ed., Wiley, 2016. Los tipos de antena uno por uno, los arreglos y la ecuación de Friis con todos sus supuestos.
- Warren L. Stutzman y Gary A. Thiele. Antenna Theory and Design. 3.ª ed., Wiley, 2012. Más orientado al diseño, con buenos capítulos de antenas de apertura y parabólicas.
- Roger L. Freeman. Radio System Design for Telecommunications. 3.ª ed., Wiley, 2007. El diseño de radioenlaces completo: perfiles, zonas de Fresnel, lluvia y disponibilidad.