Comunicación inalámbrica: espectro electromagnético, propagación y tipos de antenas

Medios No Guiados: Fundamentos de la Comunicación Inalámbrica

Los medios no guiados transportan ondas electromagnéticas sin la necesidad de un conductor físico. Este tipo de comunicación se conoce comúnmente como comunicación inalámbrica. Las señales se radian a través del aire y, por lo tanto, están disponibles para cualquier dispositivo capaz de recibirlas.

Espectro Electromagnético en Medios No Guiados

El espectro electromagnético utilizado en medios no guiados se clasifica en diferentes rangos de frecuencia, cada uno con sus características y aplicaciones:

• 3 KHz a 1 GHz: Ondas de Radio. Utilizan principalmente antenas omnidireccionales.
• 1 GHz a 300 GHz: Microondas. Emplean antenas direccionales.
• 300 GHz a 400 THz (λ entre 1mm y 770nm): Infrarrojos.
• 400 THz a 900 THz: Luz Visible.

Por lo tanto, el espectro electromagnético relevante para la comunicación inalámbrica varía entre 3 KHz y 900 THz.

Modos de Propagación de Señales Inalámbricas

Las señales no guiadas pueden viajar del origen al destino de distintas formas:

• Propagación en Superficie: Las ondas de radio viajan a través de la porción más baja de la atmósfera, siguiendo la curvatura de la Tierra. A frecuencias más bajas, las señales emanan en todas direcciones desde la antena de transmisión y siguen la curvatura del planeta. La distancia de propagación depende directamente de la potencia de la señal: a mayor potencia, mayor distancia.
• Propagación por el Cielo (Ondas Ionosféricas): Las ondas de radio de mayor frecuencia se radian hacia la ionosfera, donde se reflejan de vuelta hacia la superficie de la Tierra. Este tipo de transmisión permite alcanzar distancias mayores con una potencia de salida relativamente menor.
• Propagación por Línea de Vista (LOS): Las señales de muy alta frecuencia se transmiten directamente de antena a antena, siguiendo una línea recta. Para este tipo de propagación, las antenas deben ser direccionales, estar enfrentadas entre sí y ubicarse a una altura o distancia que evite la afectación por la curvatura de la Tierra.

La sección del espectro electromagnético que abarca las ondas de radio y microondas se divide en ocho rangos, conocidos como bandas, reguladas por autoridades gubernamentales. Estas bandas se clasifican desde las de Frecuencia Muy Baja (VLF, Very Low Frequency) hasta las de Frecuencia Extremadamente Alta (EHF, Extremely High Frequency). En términos generales, las transmisiones inalámbricas se pueden agrupar en tres grandes categorías: ondas de radio, microondas y ondas infrarrojas.

Antenas Inalámbricas: Tipos, Ganancia y Patrones de Radiación

Funciones Básicas de las Antenas

• Una antena es un conductor eléctrico utilizado para irradiar o recolectar energía electromagnética.
• Antena de Transmisión: Es alimentada por el transmisor, convierte la energía eléctrica en energía electromagnética y la irradia hacia el medio.
• Antena de Recepción: Capta la energía del medio, la convierte de energía electromagnética a energía eléctrica y alimenta al receptor.
• En la mayoría de los casos, la misma antena puede cumplir ambos roles (transmisión y recepción).

Ganancia de Antenas

• La ganancia es una medida de la direccionalidad de la antena.
• Representa la potencia transmitida en una dirección particular en comparación con la potencia que produciría una antena isótropa ideal.
• Se mide en dBi (Decibelios respecto a una antena isótropa).
• Implica que se "gana" potencia en una dirección específica a expensas de "perderla" en otras.

Patrón de Irradiación Inalámbrico

El diagrama de radiación es la representación gráfica de la magnitud y dirección en la que una antena irradia su energía. Se proyecta tanto en el plano vertical como en el horizontal.

Tipos de Antenas según su Patrón de Radiación

• Antena Isótropa: Es un modelo ideal que radia energía de manera uniforme en todas las direcciones, con un patrón de radiación esférico.
• Antena Omnidireccional: La energía se irradia en 360° en torno a la antena en el plano horizontal. Las ondas de radio suelen usar antenas omnidireccionales que emiten señales en todas las direcciones. Según su longitud de onda, potencia y el objetivo de transmisión, existen distintos tipos de antenas omnidireccionales.

Aplicaciones de Antenas Omnidireccionales

Las características omnidireccionales de las ondas de radio las hacen ideales para envíos multidestino (multicast), donde hay un único emisor y múltiples receptores. Ejemplos incluyen la radio AM y FM, la televisión, la radio marítima, los teléfonos inalámbricos y los sistemas de mensajería.

Antenas Unidireccionales

Las antenas de microondas son tradicionalmente unidireccionales, enviando señales en una dirección específica. Se utilizan principalmente dos tipos para la comunicación de microondas: parabólicas y de cornete.

Antena Parabólica

Una antena parabólica se basa en la geometría de una parábola: cada línea paralela a la línea de simetría (línea de vista) se refleja en la curva de tal manera que todas intersecan en un punto común denominado foco. El plato parabólico funciona como un "embudo", capturando un rango de ondas y dirigiéndolas a un punto único, o viceversa, concentrando la emisión.

Aplicaciones de Antenas Unidireccionales

Las microondas, debido a su propiedad unidireccional, son extremadamente útiles para comunicaciones punto a punto (unicast) entre un emisor y un receptor. Se emplean comúnmente en telefonía móvil, redes de satélites y redes inalámbricas de largo alcance.