¿Qué es una antena pasiva? Guía completa

Las antenas pasivas, de diseño sencillo pero eficaz, son capaces de recibir y transmitir señales cuando se configuran adecuadamente, dependiendo por completo de su diseño estructural sin necesidad de una fuente de alimentación externa. En este artículo se analizan sus características de diseño, rangos de frecuencia de funcionamiento y ventajas frente a las antenas activas. Al profundizar en estos conceptos fundamentales relacionados con las antenas pasivas, el artículo pretende ayudar a los usuarios a tomar decisiones informadas sobre la selección de antenas pasivas tanto para usos cotidianos como especializados.

Comprender las antenas pasivas

Las antenas pasivas funcionan sin necesidad de una fuente de alimentación externa, ya que no emplean amplificadores de señal integrados. Estas antenas, que dependen totalmente de su diseño estructural, son soluciones sencillas pero eficaces para la transmisión de señales en una gran variedad de aplicaciones, desde la recepción de televisión hasta la communicación por satélite.

A diferencia de antenas activas que utilizan componentes activos como diodos de cristal, transistores y diodos de haz, las antenas pasivas emplean sus elementos de antena, como bucles y dipolos, para una transmisión eficaz. Cuando una señal electromagnética atraviesa sus elementos, induce una corriente alterna que se transmite a un dispositivo receptor conectado para su posterior procesamiento. La señal de corriente alterna inducida corresponde a la información que transporta y, como la antena está diseñada para resonar en rangos de frecuencias establecidos, sólo es capaz de manejar las frecuencias previstas y rechazar otras. Las antenas pasivas pueden transmitir señales cuando están conectadas a un transmisor, convirtiendo las señales eléctricas en ondas electromagnéticas para su propagación.

Aunque las antenas pasivas pueden sufrir interferencias en entornos difíciles, la sencillez de su diseño minimiza problemas como la intermodulación.

Tipos de antenas pasivas

Existe una amplia gama de antenas pasivas, cada una de ellas diseñada para responder a las necesidades específicas de la communicación inalámbrica. Algunos de los tipos de communicación son los siguientes:

• Antena de panel

Estas antenas se caracterizan por su forma plana, rectangular y de panel. Como estas antenas producen un haz de señal de radiofrecuencia direccional, pueden utilizarse en aplicaciones que requieren una distribución selectiva de la señal. Las antenas de panel se utilizan normalmente para formar conexiones punto a punto y multipunto en estaciones base de telefonía móvil y redes Wi-Fi en medio de una alta densidad de usuarios para un rendimiento óptimo de la red con interferencias reducidas.

• Antena Yagi

La antena Yagi o Yagi - Uda se compone principalmente de un elemento conducido, un reflector y una serie de directores, todos ellos dispuestos de forma perpendicular para formar un elemento alargado. Esta configuración hace posible que las antenas Yagi creen un diagrama de radiación altamente direccional. La direccionalidad ofrece una excelente ganancia en una dirección manteniendo al mínimo las perturbaciones no deseadas. Como las antenas Yagi destacan por su direccionalidad y su capacidad de ganancia superior, se utilizan en la radiodifusión de televisión en entornos rurales y en actividades de communicación inalámbrica de largo alcance.

• Antena sectorial

Las antenas sectoriales proporcionan cobertura en un sector angular que suele oscilar entre 60 y 180 grados. Esto permite a los proveedores de servicios combinar varias antenas de este tipo para lograr una cobertura de 360 grados. Estas antenas son excelentes para mejorar la distribución de la señal en regiones específicas y, por tanto, se utilizan en redes de telefonía móvil, estaciones base y redes Wi-Fi. En comparación, las antenas sectoriales proporcionan un ancho de haz mayor que las antenas Yagi y suelen tener una ganancia comparable o ligeramente inferior a las antenas de panel, dependiendo de su diseño.

• Antena dipolo

Estas antenas tienen uno de los diseños más sencillos que consiste en dos elementos conductores colocados en el centro con la línea de alimentación colocada en un punto central equidistante. Con un diagrama de radiación toroidal y una ganancia moderada, estas antenas se utilizan normalmente en aplicaciones de radio FM/AM, antenas de televisión y en diversos sistemas de communicación. Además, la antena dipolo se utiliza a menudo como punto de partida para diseños mucho más complejos, como el dipolo plegado y el diseño de periodo logarítmico.

• Antena monopolo

Una antena monopolo consiste en un conductor en forma de varilla montado sobre un plano conductor de tierra, que es fundamental para formar el diagrama de radiación deseado y garantizar una transmisión eficaz de la señal. Por lo tanto, este tipo de antena también puede considerarse una antena semidipolo montada sobre una superficie conductora. De diseño sencillo y compacto, estas antenas proporcionan una cobertura uniforme en todas las direcciones horizontales. Esto las convierte en una gran elección para communicación móvil, sistemas de communicación de vehículos y aplicaciones de baja frecuencia.

• Antena PCB

Las antenas de placa de circuito impreso (PCB) se integran directamente en la placa de circuito impreso. Por lo tanto, estas antenas son una opción ideal para aplicaciones en las que el espacio es limitado. Al no implicar costes de fabricación adicionales, las antenas PCB son una solución muy rentable para diversas aplicaciones, como dispositivos IoT, smartphones y routers Bluetooth y Wi-Fi.

Consideraciones sobre el diseño de antenas pasivas

El diseño de antenas pasivas, similar al diseño de antenas activas, incluye muchos aspectos que afectan al rendimiento y la eficiencia de la antena. A continuación se indican algunas características importantes que deben tenerse en cuenta en el diseño de antenas pasivas:

• Tipo de aplicación: Estacionaria vs. Móvil

La aplicación prevista desempeña un papel importante en el diseño de la antena. Las antenas fijas, como las de las estaciones base, se centran en la estabilidad, robustez y alta ganancia. En cambio, las antenas móviles, como las que se colocan en los coches o los teléfonos móviles, deben ser ligeras y pequeñas y tener un diagrama de radiación más amplio para mantener una mejor conectividad en distintas direcciones y situaciones.

• Uso en interiores y exteriores

Las antenas de interior están diseñadas para ser estéticamente agradables, manteniendo al mínimo el riesgo de interferencias. Como están protegidas de los elementos ambientales, no necesitan materiales robustos. Las antenas de exterior, en cambio, deben soportar tensiones ambientales como el viento, la lluvia y la exposición a los rayos UV. Por eso deben estar equipadas con carcasas protectoras con materiales resistentes a la corrosión.

• Número de dispositivos compatibles

Las antenas diseñadas para gestionar múltiples dispositivos tienen que adaptarse a más tráfico y mantener la integridad de la señal. Por ejemplo, las antenas de los routers Wi-Fi emplean tecnologías como Multiple Input Multiple Output (MIMO) para suministrar simultáneamente a varios dispositivos. En cambio, las antenas de un solo dispositivo, como las de los mandos a distancia, tienen un diseño más modesto.

• Estrategias de reducción de la pérdida de señal

Minimizar la pérdida de señal es una característica esencial en el diseño de antenas pasivas. Una opción para ello es emplear antenas direccionales que proporcionan una mayor ganancia sin necesidad de amplificación adicional. Una estrategia alternativa es cambiar los cables coaxiales convencionales por cables de fibra óptica. Como la fibra óptica es capaz de cubrir largas distancias con una pérdida de señal mínima, es perfecta para aplicaciones que exigen un cableado extenso.

Componentes clave en el diseño de antenas pasivas

El buen funcionamiento de las antenas pasivas depende de varios componentes clave. Algunos de los componentes clave en el diseño de antenas pasivas son los siguientes:

• Elemento radiante

El elemento radiante es el núcleo del diseño de antenas pasivas. El elemento radiante se encarga de generar y absorber las ondas electromagnéticas. Se calibra en función de la frecuencia de funcionamiento del sistema y se optimiza en cuanto a dimensiones y materiales para obtener la máxima eficacia. La forma del elemento radiante (dipolo, monopolo o parche) no sólo determina el diagrama de radiación de la antena, sino también su polarización y ganancia.

• Estación base

La estación base sirve de nodo central que conecta las antenas a marcos de communicación más amplios. Aunque no es un componente directo del diseño de la antena, la estación base es capaz de garantizar intercambios de señal imperceptibles que proporcionan un rendimiento fiable y constante tanto para aplicaciones móviles como estacionarias.

• Plano de tierra

Los planos de tierra están especialmente diseñados para el rango de frecuencias y la aplicación de la antena. Se encargan de mejorar la directividad y eficacia del elemento radiante de la antena al reflejar las ondas electromagnéticas. Además, en las antenas monopolo, el plano de tierra completa la trayectoria de la corriente mejorando su diagrama de radiación.

• Línea de alimentación

Las líneas de alimentación actúan como enlace entre la antena y el transmisor y receptor, y facilitan la transmisión de la señal asegurando una pérdida mínima de la misma. Aunque los cables coaxiales sólo se utilizan como líneas de alimentación, para diseños compactos como las antenas PCB se utilizan líneas microstrip. La adaptación de impedancias entre la línea de alimentación y la antena permite minimizar la reflexión de potencia y garantizar una transferencia de energía eficaz.

Aplicaciones de las antenas pasivas

La sencillez, rentabilidad y durabilidad atribuidas a las antenas pasivas hacen que su uso esté muy extendido en diversos sectores. Algunas de sus aplicaciones más populares son las siguientes:

• Telecommelecomunicaciones y radiodifusión

En las redes móviles, los conjuntos de antenas pasivas se utilizan con torres de telefonía móvil para dar cobertura a amplias zonas y garantizar una transmisión y recepción fiables de la señal. Del mismo modo, los sistemas Wi-Fi utilizan antenas pasivas compactas, como los dipolos, para proporcionar acceso inalámbrico a Internet en hogares, oficinas y espacios públicos. En radiodifusión, las antenas Yagi se emplean mucho para recibir señales de televisión terrestre, ya que ofrecen una excelente ganancia y direccionalidad.

• Satélite Communicación

Las antenas parabólicas sólo se utilizan en estaciones terrestres de communicación con satélites para garantizar una alta directividad y ganancia. Las antenas pasivas compactas están integradas en dispositivos GPS, para ayudar a la navegación del usuario con datos de localización precisos. Además, los satélites de vigilancia meteorológica también utilizan antenas pasivas cuando transmiten información meteorológica a las estaciones terrestres con el fin de apoyar predicciones meteorológicas precisas y estudios climáticos.

• IoT y dispositivos inteligentes

El crecimiento del Internet de las Cosas (IoT) ha aumentado significativamente la demanda de antenas pasivas compactas y eficientes. Los relojes inteligentes, los rastreadores de fitness y los sistemas domésticos inteligentes a menudo dependen de las antenas PCB y monopolo para permitir la conectividad a través de los protocolos Bluetooth, Wi-Fi o Zigbee. En las aplicaciones de IoT industrial, las antenas pasivas se utilizan para transmitir datos entre la maquinaria y los sistemas centralizados, lo que mejora la fiabilidad del rendimiento y agiliza los procesos.

• Aplicaciones de automoción

Las antenas pasivas se emplean en los sistemas de acceso sin llave, que permiten una communicación segura entre el vehículo y el llavero. Además, tecnologías emergentes como la communicación vehículo a todo (V2X) utilizan estas antenas para facilitar la interacción entre vehículos, infraestructuras y peatones, mejorando la seguridad vial y la gestión del tráfico.

De LF a UHF: Comprender la versatilidad de las antenas pasivas

Una antena pasiva se comporta de forma diferente y desempeña distintas funciones en distintos rangos de frecuencia. Las frecuencias bajas, medias y altas cubren una amplia gama de bandas, y el diseño y la calidad de esta antena pasiva dependen de la banda. A continuación se presenta un summario de las características de la antena pasiva, los rangos de frecuencia de trabajo para las bandas de LF, MF, HF, VHF, UHF y microondas, y las aplicaciones para cada banda:

• Baja Frecuencia (LF) y Media Frecuencia (MF):

Las bandas LF y MF, que operan en el rango de 30 kHz a 3 MHz, son conocidas por sus grandes longitudes de onda, que hacen necesario el uso de grandes estructuras de antena para un rendimiento eficaz. Aunque estas frecuencias no son ideales para dispositivos compactos, destacan en communicación de largo alcance por su capacidad para recorrer grandes distancias con pérdidas mínimas. Las antenas de MF se utilizan principalmente en sistemas de navegación marítima y aeronáutica, como las balizas no direccionales (NDB), que ayudan en la navegación a larga distancia sobre el agua y terrenos difíciles. Su capacidad para propagarse por la superficie terrestre sin apenas atenuación las hace esenciales para aplicaciones críticas de seguridad, en las que una communicación fiable es crucial en zonas extensas.

• Alta frecuencia (HF):

Las bandas de HF, que van de 3 MHz a 30 MHz, son famosas por su capacidad para facilitar la communicación de largo alcance, principalmente a través de la reflexión de las señales en la ionosfera. Esta característica permite que las señales viajen mucho más allá de la línea de visión, posibilitando la communicación global. Las bandas de HF tienen una amplia aplicación en la radiodifusión internacional, la radioafición y la communicación militar, donde la conectividad a larga distancia es esencial sin necesidad de sistemas de satélite. Su capacidad única para reflejarse en la ionosfera hace que las antenas de HF, como los dipolos o los conjuntos Yagi-Uda, sean adecuadas para la propagación de ondas celestes, lo que resulta especialmente beneficioso para la communicación remota y la transmisión de alta frecuencia.

• Muy Alta Frecuencia (VHF) y Ultra Alta Frecuencia (UHF):

Las frecuencias VHF (30 MHz a 300 MHz) y UHF (300 MHz a 3 GHz) permiten la communicación en línea de visión directa porque sus longitudes de onda más cortas facilitan diseños de antena más compactos. En estos rangos de frecuencia, las antenas tienden a ser más pequeñas y eficientes para aplicaciones móviles, incluidos los dispositivos portátiles. La VHF se utiliza con frecuencia en radiodifusión de FM, transmisión de televisión y sistemas de control del tráfico aéreo, donde la communicación de rango moderado y la resistencia al ruido atmosférico son esenciales. Las bandas UHF desempeñan un papel crucial en los sistemas de communicación actuales, como la radiodifusión televisiva, el GPS, los teléfonos móviles y las redes Wi-Fi. Las antenas UHF proporcionan un mayor ancho de banda, lo que permite velocidades de transferencia de datos más rápidas y conexiones más fiables en communicación digital y redes móviles.

• Bandas de microondas (de 3 GHz a 300 GHz):

Las frecuencias de microondas requieren el uso de antenas muy direccionales, como los platos parabólicos y las antenas de bocina, porque pueden transmitir señales a grandes distancias con pérdidas mínimas. Estas frecuencias desempeñan un papel fundamental en los sistemas de radar, la communicación por satélite y la transmisión de datos de alta capacidad a través de radioenlaces de microondas. Las microondas son especialmente útiles en escenarios que requieren communicación punto a punto, como sistemas de satélite, radares militares y telecommunicación avanzada. La alta directividad y la capacidad de transmitir grandes volúmenes de datos hacen que las antenas de microondas sean esenciales para los sistemas de communicación civiles y de defensa.

Antena pasiva frente a antena activa

Mientras que las antenas pasivas se limitan a retransmitir las señales recibidas al receptor, las antenas activas vienen equipadas con un amplificador de bajo ruido (LNA) integrado que mejora la intensidad de la señal. La decisión de utilizar un tipo u otro depende de varios factores, como la intensidad de la señal, la longitud del cable, la disponibilidad de potencia y las necesidades específicas de la aplicación. A continuación se muestra una tabla comparativa con las principales diferencias entre las antenas pasivas y activas.

El tipo de antena adecuado a sus necesidades

Elegir un tipo de antena adecuado, activa o pasiva, es una decisión muy importante para garantizar el máximo rendimiento de la aplicación. Reconocer las diferencias entre estas dos formas ayudará a tomar una decisión con conocimiento de causa.

Las antenas pasivas son dispositivos sencillos que constan únicamente de un elemento diseñado para recibir señales sin ningún circuito de amplificación adicional. No necesitan una fuente de alimentación externa porque no están equipadas con piezas integradas como amplificadores de bajo ruido (LNA). Las antenas pasivas suelen utilizarse cuando la antena puede acercarse al receptor, donde se minimiza la atenuación de la señal. Su sencillez suele traducirse en menores costes y consumo de energía, lo que hace que las antenas pasivas sean adecuadas para aplicaciones con tendidos de cable cortos y entornos en los que la intensidad de la señal es adecuada.

Las antenas activas, en cambio, incorporan un LNA integrado que amplifica la señal recibida antes de transmitirla al receptor. Esta amplificación compensa la degradación de la señal que puede producirse en largas tiradas de cable o en entornos con interferencias importantes. Las antenas activas necesitan una fuente de alimentación que alimente el amplificador, además de complejidad y posibles modos de fallo, pero pueden suponer una enorme mejora de la calidad de la señal en condiciones difíciles. Son especialmente útiles en situaciones en las que la antena puede colocarse a gran distancia del receptor o en presencia de una fuerte atenuación de la señal.

La longitud del cable, el ruido ambiental, la disponibilidad de energía y la complejidad del sistema deben tenerse en cuenta a la hora de decidir entre antenas pasivas y activas. En instalaciones con grandes longitudes de cable y/o grandes interferencias, una antena activa puede proporcionar la mejora de señal necesaria y mantener el rendimiento conforme a las normas. En cambio, en redes con cables de poca longitud y pocas interferencias, pueden prevalecer las ventajas de sencillez y robustez de la antena pasiva.

En general, a la hora de seleccionar una antena es necesario tener en cuenta las compensaciones entre la sencillez y asequibilidad de las antenas pasivas y el rendimiento y complejidad de las antenas activas, comparando los dos enfoques para la selección a fin de determinar el tipo de antena más adecuado para una aplicación determinada. Mediante una evaluación cuidadosa de los requisitos de su aplicación, podrá decidir el tipo correcto de antena a utilizar.

Conclusión

Las antenas pasivas ofrecen soluciones versátiles para una amplia gama de aplicaciones, lo que las convierte en un actor clave de la communicación inalámbrica actual. Aunque depende únicamente de su estructura para la transmisión de la señal, sus aplicaciones van desde facilitar la radiodifusión global hasta habilitar dispositivos IoT compactos. Al adaptar su diseño a requisitos y entornos específicos, las antenas pasivas siguen siendo una solución vital y adaptable para avanzar en la conectividad inalámbrica.