Comprender la ganancia de la antena y cómo afecta al rendimiento, la fiabilidad y la competitividad de los dispositivos

La ganancia es una de las magnitudes más importantes a la hora de evaluar cualquier tipo de antena, incluidas las de telefonía móvil, Wi-Fi® y el sistema global de navegación por satélite (GNSS). Esto se debe a que la ganancia influye directamente en el rendimiento y la fiabilidad de tu dispositivo, así como en todos los servicios que se ejecutan en él. Por consiguiente, la ganancia también influye en la competitividad de tu dispositivo, su potencial de ingresos y la reputación de la marca. Todo esto es así independientemente de si su dispositivo está diseñado para consumidores o empresas, o para aplicaciones móviles o fijas.

La ganancia mide la direccionalidad de una antena en relación con la intensidad de la señal que transmite o recibe. Por ejemplo, la ganancia de una antena GNSS influye directamente en la calidad de las señales GNSS. Una ganancia elevada mejora la relación señal-ruido y reduce el tiempo hasta la primera posición (TTFF).

La ganancia se aplica a las antenas, tanto si se utilizan para recibir como para transmitir, o para ambas cosas:

• Recepción: La función de la antena es proporcionar al receptor la mayor señal posible para que pueda funcionar. Cuanto más eficaz sea a la hora de captar señales debilitadas por la distancia o por obstáculos físicos, como rascacielos y vegetación, más fácil le resultará al receptor realizar su trabajo. Esto maximiza la duración de la batería del dispositivo, ya que el receptor no tiene que consumir tanta energía para compensar una ganancia insuficiente. La ganancia mide la eficacia de la antena y se cuantifica en decibelios (dB).
• Transmisión: La ganancia mide la eficacia de la antena a la hora de convertir la energía eléctrica del transmisor en una señal. Su ganancia también se mide en dB.

La ganancia es también una forma habitual de clasificar las antenas:

• Las antenas de alta ganancia son direccionales, lo que significa que se centran en una dirección específica al transmitir o recibir. Un ejemplo son las antenas receptoras de GNSS, que apuntan hacia el cielo para maximizar la recepción de las señales de los satélites. Las antenas de alta ganancia suelen denominarse antenas «activas», ya que utilizan amplificadores de bajo ruido (LNA) para potenciar la señal antes de enviarla al receptor. Esto resulta especialmente valioso para aplicaciones de localización que requieren alta precisión y disponibilidad, ya que las señales GNSS son relativamente débiles cuando llegan a la Tierra. Pero también es importante señalar que una antena pasiva puede tener alta ganancia gracias a su diseño. En otras palabras, la incorporación de un LNA (o un amplificador) no es la única forma de maximizar la ganancia.
• Las antenas de baja ganancia son omnidireccionales, lo que significa que reciben o transmiten señales en todas las direcciones. Esto resulta ideal para aplicaciones en las que es necesario recibir o transmitir señales en múltiples direcciones, como las antenas de telefonía móvil de los smartphones y los dispositivos del Internet de las cosas (IoT).

¿Se puede tener demasiada ganancia?

Otro aspecto clave a tener en cuenta es la ganancia máxima. En algunas regiones existen normativas que limitan la ganancia máxima de determinadas tecnologías de radio. Por ejemplo, en EE. UU., la FCC limita la ganancia de Bluetooth®, telefonía móvil y Wi-Fi® para evitar interferencias con servicios civiles, militares y de investigación en las mismas bandas o en bandas adyacentes. Esta advertencia pone de relieve tres aspectos importantes:

• Más alto no siempre significa mejor. A la hora de elegir una antena, no te centres en la ganancia hasta el punto de que eclipse otras especificaciones igualmente importantes, como la eficiencia y la capacidad del dispositivo para cumplir con normativas como los requisitos de la FCC en materia de potencia radiada efectiva (ERP) y potencia radiada isotrópica equivalente (EIRP).
• Las nuevas tecnologías suelen afectar a los límites de ganancia. La demanda de servicios inalámbricos es insaciable, por lo que los gobiernos y los organismos de normalización están buscando por todas partes espectro adicional. Por ejemplo, muchas bandas de telefonía móvil 5G se encuentran dentro del espectro que antes era dominio exclusivo de otros servicios, o en bandas adyacentes a él. Para garantizar una coexistencia pacífica, el 5G tiene límites de ganancia máxima para evitar interferencias con esos servicios ya existentes. Este aspecto se volverá aún más complejo con el 6G, que ocupará bandas adicionales que ninguna tecnología móvil ha ocupado jamás.
• Los fabricantes de módulos también especifican los límites de ganancia máxima para las antenas que se utilizan con sus productos. Cumplir con estos requisitos puede resultar complejo, por lo que los fabricantes de equipos originales (OEM) suelen recurrir a Taoglas en busca de orientación. En el caso de las antenas integradas, un ejemplo es determinar cómo el plano de tierra, los componentes que rodean a la antena y la carcasa del dispositivo influyen en la ganancia y en la elección de la antena.

Obtener ventajas gracias al diseño

Hay diversos factores que influyen en la ganancia de una antena, entre ellos el diseño del dispositivo, su formato y su instalación. Por ejemplo, si el dispositivo utiliza una antena integrada, la placa de circuito impreso (PCB) también hace las veces de plano de tierra. En un dispositivo portátil, el plano de tierra es el equivalente eléctrico virtual del sistema de tierra que tienen las antenas fijas, como las de las emisoras de televisión y radio. Tanto el tamaño del plano de tierra de la PCB como la ubicación de la antena dentro de ese espacio influyen en la ganancia.

Otro ejemplo es una antena externa montada en el techo o en el maletero de un vehículo, que actúa como plano de tierra. Al igual que ocurre con los planos de tierra de las placas de circuito impreso, tanto el tamaño como la ubicación de la antena dentro de dicho plano influyen en la ganancia. Esto es especialmente importante para el GNSS, ya que las señales de los satélites son intrínsecamente débiles cuando llegan a la antena del vehículo. En esas aplicaciones, el techo o la tapa del maletero del vehículo actúan como plano de tierra para aumentar la ganancia de la antena.

Estos factores también ponen de manifiesto por qué las antenas y su integración son aspectos que deben tenerse en cuenta en las primeras fases del proceso de diseño del producto. En el caso de las antenas integradas, si se abordan más tarde —por ejemplo, una vez que se ha definido el factor de forma del dispositivo—, existe una gran probabilidad de que el plano de masa no sea lo suficientemente grande. En ese caso, podría ser necesario un rediseño exhaustivo y costoso del producto, lo que provocaría un sobrecoste y retrasaría su lanzamiento al mercado.

Para obtener más información sobre cómo sacar partido a la ganancia de la antena, ponte en contacto con el equipo de ingeniería de Taoglashaciendo clic en el botón de abajo.