Llevo un tiempo dedicando parte de mi tiempo libre a LoRaWAN. Es una plataforma ideal para tus proyectos IoT sin tener que depender de las redes de telefonía móvil.

Pero hoy no voy a hablar de qué es LoraWAN, ni The Things Network. Voy a hablar de antenas.

Muchos de los que se inician con comunicaciones por radio con Arduino y otros microcontroladores desconocen los misterios de la radiofrecuencia. La propagación de campos electromagnéticos es una rama de la física para la cual hace falta un cierto nivel de conocimiento matemático.

Muchos de los conceptos de esta materia no son intuitivos al principio. Pero simplificando bastante se pueden comprender los principales sin necesidad de utilizar mucha matemática.

Si conoces mínimamente lo que significan los parámetros de una antena, podrás comparar diferentes modelos y saber cuales son adecuadas para las necesidades de un proyecto o situación concreta.

Si eres físico o ingeniero, o si conoces la teoría de las leyes de la propagación electromagnética, te ruego que me perdones si te chirrían los dientes al leer algunas frases. Voy a hacer simplificaciones, puede que excesivas, pero que serán necesarias para que cualquiera pueda hacerse una idea.

Unidades logarítmicas

No te asustes. Voy a intentar explicar este concepto sin hablar de logaritmos. Si has leído algún catálogo u hoja de características de una antena habrás visto que ciertos parámetros se suelen dar en decibelios, a partir de ahora dB. Otras veces verás unidades como dBm, dBW, dBuV, etc. Todas ellas son unidades logaritmicas.

Las unidades logarítmicas expresan una comparación entre dos valores con la misma unidad. Me explico: comparan vatios con vatios, voltios con voltios o amperios con amperios.

Cuando lees un valor en dB, te indica la relación que tiene ese valor con una referencia. Esto es importante: los valores de dB siempre necesitan ir acompañados de la referencia con la que se compara. Si no fuese así no podríamos saber qué valor absoluto representa.

Por ejemplo, decimos que una señal de RF es 3 dB superior a otra o que otra señal se ha atenuado 20 dB desde que salió de un transmisor. En el primer caso la referencia es la potencia de la otra señal y en el segundo es la potencia que tenía la señal en el origen.

No es correcto decir que una señal tiene una potencia de 40 dB. Ya sabemos que los valores en dB son relativos y en este caso no se especifica la referencia.

Hay un par de reglas nemotécnicas básicas, fáciles y muy útiles que te ayudarán a hacer cálculos en dB.

  1. Si una señal tiene 0 dB respecto a otra, significa que ambas señales tienen la misma potencia.
  2. Si la potencia de una señal tiene 3 dB más que otra, quiere decir que tiene el doble de potencia en vatios. Por el contrario, si tiene 3 dB menos, representa la mitad de ese valor.
  3. Si la potencia de una señal tiene 10 dB más que otra, quiere decir que tiene diez veces la potencia en vatios que la segunda. Por el contrario, si tiene 10 dB menos, tiene una décima parte.
  4. Por último si un valor en dB no tiene signo o es positivo indica que hay una multiplicación de por medio. En cambio, si es negativo, representa una división. Cuidado con el contexto. Hay veces que se habla de pérdida de potencia. En este caso el signo negativo está implícito en el lenguaje verbal y no aparecerá el signo en el valor numérico como tal.

Vamos a hacer unos ejemplos para poner lo anterior en práctica.

Tenemos una señal con una potencia de 10 W. Si le sumamos 3 dB, sabemos que tendrá el doble de potencia. Es decir, 20 W.

Ahora tenemos un transmisor que emite con una potencia de 20 W a través de un cable. Nos dicen que ese cable tiene una pérdida de 10 dB (es decir, -10 dB). Entonces, sabemos que al otro extremo del cable llega la décima parte, lo que representa una potencia de 2 W.

Estas reglas se pueden combinar de cualquier modo.

0 dB = N x 1
3 dB = N x 2-3 dB = N / 2
6 dB = N x 4-6 dB = N / 4
9 dB = N x 8-9 dB = N / 8
10 dB = N x 10-10 dB = N / 10
13 dB = N x 20-13 dB = N / 20
20 dB = N x 100-20 dB = N / 100


Igual te has dado cuenta de que lo que conseguimos es transformar multiplicaciones y divisiones en sumas y restas. Si es así has descubierto la razón por la que se utilizan las unidades logarítmicas. Usándolas, las matemáticas se simplifican mucho. Siempre es más fácil sumar o restar que multiplicar o dividir.

Ya sabes qué son los dB. Pero, ¿y qué representan los dBm y los dBW? Son un tipo de unidad logarítmica de potencia para la que se da la referencia de forma implícita.

dBm significa un valor de dB tomando siempre como referencia una potencia de 1 milivatio (1 mW). Igualmente, las unidades en dBW tienen en su significado la referencia implícita de una potencia de 1 W. Fácil ¿verdad?

Por ejemplo, una potencia de 0 dBm equivale a 1 mW. Otra de -6dBm representa 1/4 mW, lo que es igual a 250 uW (microvatios).

Parámetros principales de una antena

Puedes encontrar fabricantes de antenas que proporcionan una gran cantidad de datos sobre sus modelos. Otros, por el contrario, solo dan unos pocos.

En la tabla siguiente ves el ejemplo de da tabla de características de una antena. Es tan solo el extracto de una hoja de características muy completa que puedes consultar aquí.

Como he comentado, este fabricante da datos muy completos, los cuales nos permiten valorar esta antena desde muchos puntos de vista.

Da valores mecánicos como sus dimensiones, peso, material, viento máximo soportado, índice de protección ambiental, forma de montaje. Estos datos son autodescriptivos por lo que no voy a entrar en ellos. Pero hay otros que probablemente te sean menos familiares. Explicaré los principales.

Banda

Todas las antenas tienen un rango de frecuencias en las que funcionan mejor. Fuera de este margen funcionan mal o, simplemente, no funcionan en absoluto. En la tabla se puede ver que esta es adecuada para LoRa, en la banda ISM (Industrial , Scientific, Medical) de 868 MHz.

Todos los parámetros restantes serán válidos para esta banda. En el caso de antenas que cubran varias bandas normalmente te darán los valores para cada unoa de ellas o incluso gráficas en función de la frecuencia.

Tipo de antena

Esto da para otro artículo mucho más extenso y profundo que éste. Vamos a dejar que estamos viendo las características de una antena de tipo colineal.

Patron de radiación

Me he saltado el orden porque éste es un parámetro básico. Nos indica en que dirección envía la señal esta antena. Hay antenas en las que interesa que solamente emitan o reciban señal en una dirección. Son las antenas directivas. Un ejemplo de ellas son las antenas parabólicas.

En el caso que nos ocupa se trata de una antena omnidireccional, que transmite la misma potencia en todas las direcciones, contenidas en el plano perpendicular a la antena.

Ganancia

Podría parecer que este parámetro indica que la antena emite un nivel de potencia superior al que recibe en su entrada, pero esto no es así. Este dato se suele dar en valor de dBi. De éste no habíamos hablado.

Un valor en dBi indica la diferencia de potencia radiada tomando como referencia una antena ideal o antena isotrópica. Solamente diré que es un modelo teórico de antena que radia igualmente en todas las direcciones, en todos los planos.

Una antena de ese tipo no existe en la realidad. Hemos dicho que esta antena es omnidireccional, que emite en todas las direcciones en un plano. La potencia que se utilizaría para transmitir en otros planos se concentra en uno solo, por lo que parece que emite con más potencia que la que debería.

Si no compendes este parámetro no te preocupes, sigue adelante.

Polarización

En este caso es vertical, lo que significa que la onda electromagnética que genere oscilará verticalmente, de manera paralela a la posición de la antena. En principio, la antena del otro extremo de la comunicación debería estar en la misma posición.

Otro posible valor es horizontal, en la que las ondas oscilan en el plano perpendicular a la antena.

Por último, una polarización circular indica que la oscilación de la onda se produce en ambos planos.

Impedancia

En una cadena de transmisión la impedancia de salida de un componente tiene que ser igual a la impedancia de entrada del siguiente. Esto debe ser así para que la transferencia de energía de uno a otro tenga la máxima eficiencia.

Esta antena es de 50 ohmios, por lo que los cables, conectores, incluso el equipo transmisor o receptor deben corresponder tambien con este valor de impedancia.

Otro valor posible es el de 75 Ohm, que verás en componentes de instalaciones de recepción de radio y televisión. Ten en cuenta que no debes mezclar componentes de valores de impedancia diferentes.

Potencia máxima

Una antena ideal transmitiría toda la potencia al aire, pero en la realidad un parte más o menos pequeña se queda en la antena. Esa parte se disipa en forma de calor.

Igualmente, cuanta mayor sea una potencia, mayor es la tensión necesaria para generarla. Si la tensión es muy alta pueden producirse descargas. Por regla general, cuanto más grande es una antena mayor es la tensión máxima que soporta.

El fabricante indica la potencia máxima que esa antena soporta de manera continua. Hay veces que también se indica la tensión máxima instantánea.

VSWR

Son las siglas de Voltage Standing Wave Ratio. Este parámetro lo puedes ver también como SWR o, en textos en español, ROE (Relación de Onda Estacionaria).

Antes he comentado que para que la transferencia de energía desde un elemento al siguiente en el camino de la señal sea eficiente las impedancias de uno y otro tienen que ser iguales. Pero en el mundo real nunca nada es perfecto del todo.

Cualquier diferencia entre las impedancias va a provocar que solamente una parte de la potencia se transmite. El resto se refleja hacia su origen. Es lo que se conoce como potencia reflejada. Esta reflexión es mayor cuanto mayor es la desadaptación de impedancias.

Un valor de SWR de 1 representa el caso ideal en el que toda la potencia se transmite y nada se refleja. En el extremo opuesto un valor infinito es aquel en el que toda la potencia se refleja. Puede considerarse que cuanto más cercano a 1 sea el valor de SWR mejor es una antena.

Como regla general, una buena antena presentará una SWR mejor de 2, lo que significa aproximadamente que como máximo transmitirá el 90% de la señal.

Patrón de radiación

La antena del ejemplo es omnidireccional, por lo que podemos decir que radia igualmente en todas las direcciones. Pero, ¿cómo de "igual" es este valor en cada orientación? Esto es lo que trata de representar el diagrama de radiación.

Normalmente se da un diagrama en el plano vertical y otro en el horizontal.

Patrón de radiación vertical

Patrón de radiación horizontal

Los diagramas anteriores indican que la antena del ejemplo es casi perfectamente omnidireccional en el plano horizontal, con una ganancia de unos 8 dBi. En el plano vertical radia principalmente en las direcciones de 0º, 60º, 120º, 180º, 240º y 300º, con algún lóbulo menor en otras direcciones.

En ocasiones, se puede dar el diagrama de radiación combinando ambas vistas, vertical y horizontal, en una misma representación en 3D. La siguiente figura es un ejemplo de ello que, en este caso, no corresponde a la antena del ejemplo.

Patrón de radiación en 3D

Conclusiones

Cuando tengas que elegir una antena para uno de tus proyectos debes tener en cuenta muchos parámetros para saber cuál es la adecuada, dentro de un presupuesto razonable.

En este artículo tienes el caso de análisis de una antena adecuada para LoRaWAN en la banda ISM de 868 MHz. Esta antena es de tipo omnidireccional y adecuada para exteriores.

Si tienes alguna necesidad especial consulta antes de comprar una antena, existen muchísimos tipos, con toda clase de calidades, características y precios. Puedes buscar en foros como el de The Things Network. También puedes añadir tus comentarios más abajo con tus dudas o sugerencias.