¿Qué es una antena activa? La guía completa

La tecnología de antenas ha avanzado mucho con las antenas activas, que integran componentes electrónicos activos, como amplificadores, filtros y unidades de procesamiento de señales, para mejorar su rendimiento. Las antenas activas tienen más éxito en situaciones en las que la intensidad de la señal es un problema porque emplean su electrónica integrada para mejorar las señales, a diferencia de las antenas pasivas, que sólo utilizan su diseño físico para captar señales.

Las antenas activas permiten una recepción eficaz de la señal en una gama de frecuencias más amplia gracias a los amplificadores integrados; sin embargo, el refuerzo adicional puede hacer que el nivel de la señal se envíe a una potencia de salida superior a la permitida. Por eso, las antenas activas suelen utilizarse para recibir señales, no para transmitirlas. Además, como algunas antenas direccionales ya incorporan una ganancia, la ganancia extra en una antena activa puede ser innecesaria, e incluso perjudicial para algunos sistemas. Este artículo analiza los tipos, funciones, ventajas, usos y dificultades de las antenas activas. También las compara con las antenas pasivas e incluye estudios de casos pertinentes.

¿Qué es una antena activa y cómo funciona?

Una antena activa es un dispositivo que amplifica o modifica señales fusionando la arquitectura convencional de una antena con componentes electrónicos activos. La antena puede hacer algo más que recibir y transmitir señales gracias a la incorporación de componentes activos como procesadores de señal o amplificadores de bajo ruido (LNA).

Un amplificador es un componente de una antena activa. Gracias a este amplificador, que refuerza las señales de RF que recibe la antena, es posible tender cables más largos sin sacrificar la calidad de la señal. Además, el amplificador mejora la relación señal/ruido al amplificar las señales deseadas con mayor eficacia, a menudo emparejado con un filtrado para minimizar las interferencias. Por ello, las antenas activas son perfectas para su uso en lugares como ciudades o fábricas donde hay muchas interferencias electromagnéticas.

Las antenas activas también pueden utilizarse para compensar la pérdida de señal de los divisores u otros equipos de distribución o para compensar la pérdida de señal en largas tiradas de cable. Por eso son útiles en aplicaciones como sistemas de micrófonos inalámbricos y distribución de televisión por cable. En definitiva, las antenas activas permiten mejorar la calidad de la señal y la recepción en diversas aplicaciones, lo que las convierte en un instrumento inestimable para varios sectores.

Principio de funcionamiento

Normalmente, un circuito amplificador se conecta a un pequeño elemento de antena, como un bucle o un dipolo, para crear una antena activa. El elemento de antena recibe señales entrantes débiles, que son amplificadas por el circuito amplificador. A continuación, el receptor o el resto del sistema de radio recibe esta señal amplificada.

Una batería o una fuente de alimentación conectada a la antena puede alimentar el amplificador de una antena activa. Esta fuente de alimentación suministra la energía necesaria para que el amplificador funcione y amplifique las señales.

La función principal de una antena activa consiste en:

1. Recepción de señales: La antena recibe ondas electromagnéticas.
2. Amplificación: Los componentes activos integrados amplifican las señales débiles para mejorar la claridad y la intensidad.
3. Procesamiento de la señal: Las antenas activas avanzadas pueden procesar la señal para filtrar el ruido o las frecuencias no deseadas.
4. Transmisión de la señal: En el modo de transmisión, los componentes activos garantizan una propagación eficaz amplificando la potencia de la señal.

Gracias a la integración de estos componentes activos, las antenas activas pueden funcionar con mayor eficacia en entornos difíciles, como los que presentan grandes interferencias o señales débiles.

Tipos de antenas activas

Las antenas activas pueden clasificarse en función de su diseño y aplicación. A continuación se presentan los principales tipos y sus definiciones.

1. Antenas receptoras activas: Estos tipos están diseñados para amplificar las señales entrantes, y se utilizan commúnicamente en sistemas de communicación donde la intensidad de la señal es un factor crítico.
2. Antenas transmisoras activas: Incluyen amplificadores integrados para aumentar la potencia de las señales transmitidas, lo que garantiza un mayor alcance y fiabilidad. Pero las antenas activas se utilizan principalmente para recibir señales.
3. Antenas inteligentes: Equipadas con algoritmos de procesamiento de señales, estas antenas pueden orientar los haces dinámicamente para centrarse en las direcciones deseadas.
4. Antenas phased array: Compuestas por múltiples elementos con señales de fase controlada, estas antenas permiten conformar y dirigir el haz sin movimientos mecánicos.
5. Antenas activas de banda ancha: Estas antenas funcionan en una amplia gama de frecuencias, lo que las hace adecuadas para sistemas de communicación multifrecuencia.

Ventajas de las antenas activas

Las antenas activas ofrecen varias ventajas en comparación con las antenas pasivas tradicionales. Cuando la antena debe utilizarse con muchos dispositivos o en lugares con mala recepción, las antenas activas ofrecen una forma fiable y práctica de recibir señales de alta calidad.

Algunas de las principales ventajas de las antenas activas son las siguientes.

• Mejor calidad de la señal - Normalmente, las antenas activas vienen con amplificadores incorporados que refuerzan la señal, mejorando la recepción y la calidad de la señal. Esto es especialmente útil en lugares donde las señales son débiles o están lejos. La integración de LNA garantiza una recepción amplificada de la señal, lo que las hace eficaces en entornos de señal débil.

• Mayor alcance - En comparación con las antenas pasivas, las activas pueden recibir señales desde una distancia mayor gracias a la amplificación que proporcionan. Los componentes activos aumentan la potencia de la señal transmitida, ampliando la zona de cobertura. En lugares rurales o aislados, donde las torres de transmisión están lejos, esto puede ser extremadamente útil.
• Recepción multidireccional - Dependiendo de su diseño, las antenas activas pueden ser omnidireccionales, lo que les permite recibir señales desde múltiples direcciones. Encontrar la señal óptima ya no requiere constantes modificaciones de la antena gracias a la disponibilidad de la recepción omnidireccional o multidireccional.
• Eficiencia energética: a pesar de sus mayores prestaciones, las antenas activas modernas están diseñadas para consumir un mínimo de energía, lo que las hace idóneas para aplicaciones portátiles.

• Tamaño compacto - En comparación con las antenas convencionales, las antenas activas suelen ser más compactas y pequeñas. Por eso, ahora es posible colocarlas en paredes, ventanas o incluso en interiores, y la instalación resulta más sencilla. La integración de elementos activos directamente en la antena permite reducir el tamaño total del sistema.

• Funcionalidad dinámica: las antenas inteligentes y phased array ofrecen funciones como la formación de haces, que mejoran la eficiencia de la communicación.

• Menos interferencias: como las antenas activas llevan amplificadores y procesadores de señal integrados, son menos vulnerables a las interferencias de equipos o estructuras eléctricas adyacentes. Pueden producir una señal más precisa al eliminar el ruido innecesario.

• Compatibilidad con varios dispositivos - Numerosas antenas activas están fabricadas para funcionar con diversos dispositivos, como aparatos de streaming, televisores y radios. Son una opción práctica para diversos entornos y aplicaciones gracias a su adaptabilidad.

• Fácil instalación - La instalación y configuración de las antenas activas suele ser sencilla. Para ayudar a determinar la mejor ubicación, suelen incluir accesorios de montaje, instrucciones detalladas y, en ocasiones, incluso indicadores de intensidad de señal integrados.

• Uso futuro: cada vez es más probable que las nuevas normas y frecuencias de radiodifusión sean compatibles con las antenas activas a medida que se desarrolla la tecnología. Esto implica que la compra de una antena activa ahora garantizará la compatibilidad con los próximos avances o modificaciones de la tecnología de radiodifusión.

Aplicaciones de las antenas activas

Las antenas activas son esenciales para mejorar la fiabilidad, calidad y alcance de la señal en diversas aplicaciones de communicación inalámbrica. A continuación se indican las aplicaciones en las que se utilizan antenas activas para diversos fines.

1. Mejora de la recepción de televisión: Se utiliza en radio y televisión para mejorar la calidad y cobertura de la señal. En lugares donde hay interferencias o la intensidad de la señal es deficiente, se pueden utilizar antenas activas para mejorar la calidad de la recepción televisiva.
2. Communicación inalámbrica: Los routers Wi-Fi y otros dispositivos de communicación inalámbrica emplean antenas activas para enviar y recibir señales.
3. Infraestructura de telecomunicaciones: Las estaciones base y otros equipos de telecomunicaciones utilizan antenas activas para enviar y recibir señales de communicación móvil.
4. Redes celulares: Las redes celulares utilizan antenas activas para aumentar la cobertura y la intensidad de la señal. También se utilizan en la infraestructura 5G para mejorar la conectividad.
5. Navegación GPS: Para recibir señales de los satélites y ofrecer datos de posición precisos, los sistemas GPS necesitan antenas activas.
6. Sistemas de radar: Los sistemas de radar utilizan antenas activas para enviar y recibir ondas de radio con el fin de rastrear y detectar objetos.
7. Communicación por satélite: Los sistemas de communicación por satélite utilizan antenas activas para enviar y recibir mensajes desde y hacia satélites. También se utilizan en aviones para navegación y communicación.
8. Aplicaciones militares: Para una conexión fiable y segura, los sistemas de communicación militares utilizan antenas activas. Se aplican en sistemas de radar, vigilancia y redes de communicación seguras.
9. Internet de las cosas (IoT): Los dispositivos IoT utilizan antenas activas para facilitar la communicación y conectividad inalámbricas.

Comparación con antenas pasivas

El tipo más básico de sistema de antena es el pasivo. Con ellas, las señales inalámbricas viajan por el sistema sin ninguna interferencia adicional después de pasar de la red al controlador. La fuerza de la señal entrante es todo lo que pueden utilizar las antenas pasivas; no son capaces de amplificar la señal. Son más adecuadas para situaciones en las que el coste es una consideración clave, ya que son más fáciles y menos caras de fabricar.

En cambio, en un sistema de antena activa, la señal se mejora de alguna manera antes de su distribución. Normalmente, se utiliza para ello un amplificador conectado al controlador, pero también pueden emplearse técnicas alternativas de aumento de la señal. Las conexiones de fibra óptica, por ejemplo, se utilizan ocasionalmente para aumentar la funcionalidad. Las antenas activas suelen utilizarse en lugares con alta densidad de usuarios y zonas urbanas densas, donde obstáculos como árboles y edificios debilitan la señal. Para compensar la pérdida de señal provocada por estos obstáculos, pueden aumentarla, garantizando una conexión sólida y fiable.

Las antenas pasivas se emplean con frecuencia en regiones menos pobladas con una señal de alta intensidad y pocos obstáculos. Son adecuadas para ofrecer una conectividad fiable sin necesidad de amplificar la señal.
En conclusión, las antenas pasivas son más adecuadas para ubicaciones menos urbanas con una intensidad de señal robusta, mientras que las antenas activas, en particular los sistemas phased array, desempeñan un papel crucial a la hora de abordar los retos del espectro de alta frecuencia de 5G en zonas urbanas.

Retos y limitaciones

A pesar de sus ventajas, las antenas activas se enfrentan a ciertos retos:

En los edificios grandes, muchos tipos de sistemas de antena son beneficiosos. Al fin y al cabo, las communicaciones inalámbricas tienen más probabilidades de sufrir interferencias en este tipo de edificios. Sin embargo, el tamaño de un edificio puede jugar en contra de un sistema de antenas. La atenuación es el proceso por el cual la señal se debilita cuando los cables transportan datos a distancias cada vez mayores. Para invertir este proceso se necesitan antenas activas. Refuerzan la señal y permiten una transmisión a mayor distancia. Por eso, las antenas activas son muy útiles en los grandes edificios. En estas situaciones, pueden resolver inmediatamente los problemas inherentes a la escala del edificio.

1. Dependencia del poder: Las antenas activas requieren una fuente de alimentación, lo que puede suponer una limitación en entornos remotos o con restricciones energéticas.
2. Complejidad: La integración de componentes activos aumenta la complejidad del diseño y la fabricación.
3. Coste: Los costes de producción más elevados pueden hacer que las antenas activas sean menos accesibles para los proyectos de presupuesto limitado.
4. Problemas de fiabilidad: Los componentes activos son más propensos a fallar que los pasivos, lo que exige un riguroso control de calidad.
5. Gestión de interferencias: Gestionar las interferencias en sistemas de antenas activas densamente empaquetadas puede ser todo un reto.

Casos prácticos

• Despliegue de la red 5G

A la hora de desplegar redes 5G, las antenas activas han sido esenciales. Por ejemplo, en entornos urbanos, las antenas phased array con capacidad de formación de haces han permitido transmitir datos a alta velocidad y con menor latencia.

• Sistemas de radar militares

Los beneficios estratégicos en aplicaciones de defensa están garantizados por el mayor rendimiento de los sistemas de radar avanzados que utilizan antenas activas en la identificación de objetivos poco observables.

• Satélite Communicación

Los satélites con antenas activas ofrecen conexiones de communicación fiables incluso en condiciones atmosféricas desfavorables, lo que subraya su importancia para la conectividad y la investigación espacial.

• Antena GPS

Las antenas activas se utilizan en las antenas GPS de los teléfonos inteligentes y los sistemas de communicación por satélite, donde es esencial mantener la intensidad de la señal a grandes distancias.

• Enrutador inalámbrico

La antena Wi-Fi de los routers inalámbricos es otro ejemplo de antena activa. La antena activa aumenta el alcance de la red inalámbrica y amplifica la señal Wi-Fi.

Conclusión

Al combinar filtrado y amplificación en un pequeño paquete, las antenas activas han cambiado por completo el procesamiento de señales y la communicación. Son esenciales en usos modernos que van de lo militar a la telecommunicación por su capacidad de aumentar la intensidad de la señal, reducir el ruido y ajustarse dinámicamente a circunstancias cambiantes. La importancia de las antenas activas en los futuros sistemas de communicación aumentará como consecuencia de las continuas mejoras tecnológicas que prometen resolver limitaciones actuales como el coste y la dependencia energética.

A la hora de elegir entre antenas activas y pasivas, hay que tener en cuenta una serie de criterios, como el precio, la aplicación y el número de dispositivos compatibles. Algunas antenas pasivas pueden ser menos caras que sus homólogas activas debido a la ausencia de amplificador, aunque las antenas activas suelen ser más compactas y pueden reducir el ruido y las interferencias. Este artículo ofrece una revisión exhaustiva de las antenas activas.