Más allá de los cables: Las antenas evolucionan y se adaptan para cumplir con los requisitos inalámbricos exigentes

Las antenas son dispositivos realmente maravillosos. Son tan mágicos y místicos como absolutamente esenciales para nuestro mundo inalámbrico. Desde que Heinrich Hertz usó por primera vez una fuente de chispas, un tipo de antena tosca, en la década de 1880 para enviar señales como energía inalámbrica a través de una mesa, el diseño y la implementación de la antena ha sido fundamental para el éxito de los dispositivos inalámbricos y los enlaces de comunicación a los que respaldan (Figura 1 ).

Figura 1: Esta es una versión moderna del arreglo utilizado por Heinrich Hertz para investigar los misteriosos fenómenos que ahora conocemos como la transmisión de energía a través de campos electromagnéticos inalámbricos. (Fuente de la imagen: Lesics Engineers Pvt. Ltd.)

Entonces, ¿qué hace exactamente una antena (llamada "aerial" (aéreo) en el Reino Unido)? Desde una perspectiva de la física y la potencia, es un transductor entre la potencia eléctrica de un circuito representado por voltios y amperios y un campo electromagnético (EM) de espacio libre como se caracteriza por las ecuaciones de Maxwell. Entraremos un poco más en la física de esto en un blog posterior, pero por ahora, basta con saber que exhiben reciprocidad y son direccionalmente independientes, ya que son capaces de irradiar energía eléctrica desde un circuito al espacio libre, y también capturando energía EM ambiental y llevándola a un circuito.

Una antena puede ser una longitud de cable muy simple o una configuración increíblemente compleja con muchos elementos, arreglos geométricos cuidadosos e interconexiones sofisticadas. Sus tamaños también abarcan un rango desde milímetros hasta enormes arreglos que ocupan decenas de acres, y el tamaño depende de la frecuencia, la potencia y otras características de rendimiento necesarias, así como de las limitaciones de espacio del sistema al que respaldan.

Al igual que con todos los componentes, inicialmente se caracterizan por varios parámetros de nivel superior seguidos de muchos secundarios. Por supuesto, en algunas aplicaciones, un atributo secundario también puede ser muy importante. Entre los principales atributos de interés se encuentran:

• Frecuencia de operación: El centro de la frecuencia o banda sobre la que la antena proporciona un rendimiento útil.
• Ancho de banda: El ancho del espectro sobre el que opera la antena y si se trata de un diseño de banda única o múltiple.
• Eficiencia: La capacidad de irradiar o capturar energía electromagnética.
• Radiación: El patrón en un plano horizontal de 360⁰ (acimut) y el plano vertical (elevación) (Figura 2).

Figura 2: Entre los muchos atributos de antena de interés se encuentran los diagramas de radiación de acimut y elevación. (Fuente de la imagen: VCEguide)

No existe una clasificación simplista de bueno/mejor/superior para cada uno de estos factores. Por ejemplo, algunas aplicaciones necesitan más ancho de banda, mientras que otras requieren menos para cumplir mejor con los requisitos de la aplicación.

Si bien la antena ideal se vería como una carga puramente resistiva en su frecuencia de operación (normalmente de 50 o 75 Ω), la impedancia de la mayoría de las antenas reales también tiene un componente reactivo. Al mismo tiempo, la salida del transmisor que acciona la antena (o el receptor conectado a la antena) tiene su propia impedancia reactiva no resistiva. A menudo, la combinación de estas dos realidades requiere que estas impedancias coincidan.

Contrario a lo que se pensaría, "impedancia igualada" no significa que estas impedancias sean iguales. Al contrario, significa que la impedancia de la fuente y la impedancia de la carga son conjugados complejos entre sí, una condición que da como resultado la máxima transferencia de potencia entre las dos. Al igual que con las antenas, existen innumerables disposiciones, componentes y técnicas disponibles a fin de implementar la transformación de impedancia para proporcionar esta coincidencia, incluido el uso de componentes pasivos discretos (Figura 3).

Figura 3: Este circuito balún representativo utiliza condensadores y resistencias para proporcionar una adaptación de impedancia a una antena que tiene componentes de impedancia tanto resistiva como inductiva. (Fuente de la imagen: ResearchGate)

Para el enlace de transmisor a antena, el objetivo es acercar la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) a la unidad, lo que significa una transferencia de energía eficiente sin que la energía reflejada regrese a la fuente.

No se sienta abrumado

Este tema puede parecer abrumador dada la infinidad de tipos y configuraciones de antenas. Afortunadamente, hay un punto básico a tener en cuenta: casi todas las antenas se construyen a partir de uno de dos bloques fundamentales. Estas son las antenas monopolo "no balanceadas" de un solo elemento con un plano de tierra real (o virtual) y caracterizadas por el diseño de cable largo o látigo (Figura 4) y la antena dipolo balanceada, sin conexión a tierra (Figura 5). A menudo, estos elementos básicos se usan solos, pero también se usan para formar configuraciones de antena más grandes y complejas.

Figura 4: La disposición de la antena de cable largo o látigo es un diseño de un solo elemento que utiliza un plano de puesta a tierra (aquí, el techo del automóvil, a la izquierda); el diagrama de la antena muestra su simplicidad (derecha). (Fuente de las imágenes: Lihong Electronic; Electronics Notes)

Figura 5: El dipolo básico es una antena simétrica equilibrada sin una referencia de puesta a tierra (izquierda), como se ilustra en su diagrama (derecha). (Fuente de las imágenes: TCARES.net; Punto de tutoriales)

Un adaptador llamado balún (abreviatura de balanceado-desequilibrado) implementa una transición eléctrica entre un circuito con conexión a tierra desequilibrado y un dipolo balanceado sin conexión a tierra si es necesario, y también puede transformar la impedancia (en ohmios [Ω]) para una coincidencia resistiva entre la fuente/receptor y antena (Figura 6).

Figura 6: Este balún pasivo transforma una impedancia desequilibrada de 50 Ω en una equilibrada de 300 Ω. (Fuente de la imagen: Pinterest)

Los sistemas de antenas y la frecuencia, complejidad y flexibilidad de las aplicaciones han avanzado a la par. Por ejemplo, los puntos de acceso 5G utilizan múltiples antenas en una disposición en fase en la que los elementos individuales de la antena son dirigidos de forma electrónica por desplazamiento de fase de sus alimentaciones; esta es una evolución de la tecnología utilizada originalmente en radares militares que, a su vez, reemplazó el movimiento mecánico de todo el conjunto de la antena.

Otras antenas son resonadores cerámicos dieléctricos diminutos, es decir, antenas miniaturizadas a escala de chip con planos de tierra metalizados. Aún así, otros usan la placa de circuito impreso (placa de circuito impreso) del producto final para su plano de tierra (un solo extremo) o elementos de antena dipolo.

Teniendo en cuenta la complejidad de las antenas y sus posibles configuraciones, ¿cómo seleccionar una para su aplicación? Empiece con las miles de antenas de todos los tamaños y atributos de rendimiento que están disponibles como artículos listos para usar o estándar del catálogo. Estas antenas vienen con hojas de datos detalladas que indican su características y rendimiento comprobados en el mundo real.

Si se necesita un nuevo diseño de antena para cumplir con atributos de rendimiento, frecuencia o tamaño únicos, las herramientas modernas de simulación y modelado son extremadamente poderosas. Estos controladores de campos EM pueden modelar el rendimiento del campo eléctrico y magnético (los campos E y H, respectivamente) de casi cualquier configuración de antena (Figura 7).

Figura 7: Las herramientas avanzadas de modelado de campos EM pueden evaluar cuantitativamente el rendimiento de configuraciones de antenas simples y complejas. (Fuente de la imagen: Altair Engineering, Inc.)

Hoy en día, estas herramientas son lo suficientemente sofisticadas para dar cuenta de los problemas de las antenas del mundo real, como los efectos de "dispersión" del campo EM en los extremos de los elementos y su espesor distinto de cero. Incluso pueden modelar los efectos de componentes y superficies adyacentes, así como los inevitables parásitos.

Generalmente, estos programas de modelado pueden analizar pero no crear, mientras que algunos incluso pueden ayudar a diseñar la antena necesaria al ofrecer alternativas y sugerir modificaciones. Los investigadores están agregando inteligencia artificial (IA) a estos programas, lo que les permitirá diseñar, explorar y analizar muchas configuraciones posibles para cumplir con los objetivos de rendimiento especificados. Incluso pueden mencionar las compensaciones que pueden ser necesarias como parte del proceso de selección de un diseño final.

Conclusión

Las antenas pueden ser los elementos más simples de un diseño o los más sofisticados y diversos, según la aplicación y las prioridades. A medida que las frecuencias operativas aumentan y la aglomeración del espectro se convierte en realidades de diseño, las antenas deben hacer más y hacerlo mejor, a pesar de las nuevas restricciones y las priorizaciones y ponderaciones más desafiantes en sus parámetros y capacidades de rendimiento múltiples. Esté atento ya que profundizaremos en este tema.

Lectura recomendada

"Antennas: Design, Application, and Performance" ("Antenas: Diseño, aplicación y rendimiento")

https://www.digikey.com/en/articles/antennas-design-application-and-performance

"Antenna Selection Depends on Many Factors" ("La selección de la antena depende de muchos factores")

https://www.digikey.com/en/articles/antenna-selection-depends-on-many-factors

"Understanding Antenna Specifications and Operation, Part 1" ("Comprender las especificaciones y el funcionamiento de la antena, parte 1")

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

"Understanding Antenna Specifications and Operation, Part 2" ("Comprender las especificaciones y el funcionamiento de la antena, parte 2")

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2

"Applying Chip and Patch Antennas to Solve Diversity and Multiband RF Issues" ("Aplicación de antenas de chip y de placa para resolver problemas de diversidad y RF multibanda")

https://www.digikey.com/en/articles/applying-chip-patch-antennas-diversity-multiband-rf-issues