Las antenas son elementos que emiten una señal de radiofrecuencia, la cual se puede recibir desde puntos distantes. Las antenas cumplen con diferentes geometrías, pueden corresponder a una forma geométrica regular o a una irregular; el enfoque que se maneja en ambas líneas de investigación va dirigido a las antenas de tipo fractal, para arreglos que son de múltiples entradas y múltiples salida (recepción/transmisión); en la otra línea se trabaja con arreglos de antenas pero que atienden los requerimientos de los radares, ya que una tercera línea de investigación se enfoca en un automóvil autónomo, pero que requiere de estos elementos.
¿Qué importancia tienen las antenas?
Marconi realizó por primera vez una transmisión inalámbrica el 12 de diciembre de 1901, desde Inglaterra, y logró ser captada en San Juan de Terranova, al otro lado del Atlántico, estableciéndose así el primer enlace inalámbrico, lo cual dio inicio al estudio de las antenas. Las antenas son los elementos que utilizan los dispositivos que envían o reciben señales a grandes distancias sin emplear cables, como las transmisiones de radio, televisión, teléfono celular, modem de casa, satélites y naves espaciales, entre otros.
La radio y la televisión, por muchos años, han sido los medios de comunicación inalámbrica que han empleado antenas para la transmisión de sus señales. La evolución tecnológica ha logrado reducir sus dimensiones e incorporarlas en dispositivos pequeños, como teléfonos celulares, tablet, módems de casa, etc.
Pero, ¿qué es una antena? Una antena es un transductor o elemento que transforma la señal eléctrica en onda electromagnética, y viceversa, de manera que la señal se pueda propagar por un medio y ser convertida nuevamente en señal eléctrica. Cuando se habla de ondas radioeléctricas se hace referencia a las ondas formadas por un voltaje y una corriente (campo electromagnético).
Las antenas se asocian a formas geométricas como rectángulos, cuadrados, rombos, conos, etc. (euclidianas, por el padre de la geometría), pero también hay antenas que no cumplen con una geometría regular (no euclidianas), también conocidas como antenas de tipo fractal.
La forma geométrica pudiera parecer una casualidad, pero no lo es, ya que estos elementos, dependiendo de su forma (regular o irregular), permiten que la señal llegue a distancias cortas o muy grandes, aunque estén fuera de la Tierra.
El gran avance en Internet, permite el acceso a diferentes formas de comunicación, pero este se vería limitado si sólo pudiéramos hacerlo por cables. La conectividad que hacemos de manera inalámbrica, nos permite estar conectados a cualquier servicio o red. Esto se logra gracias a las antenas, que si tuvieran las grandes dimensiones que en los inicios de los sistemas inalámbricos de comunicación, también harían difícil la dinámica de estar conectados. Para esto se aprovecha un fenómeno de la física llamado propagación, al ser mayor la frecuencia su longitud de onda es menor, es decir, a mayor frecuencia las antenas reducen su tamaño.
En el mundo del Internet se está viviendo una nueva evolución que se conoce como el Internet de las Cosas (IoT), esto es, desde un dispositivo, como el teléfono celular, se pueden manejar de manera inalámbrica diferentes electrodomésticos del hogar (refrigeradores, cámaras de video-vigilancia, encendido y monitoreo de automóviles, etc.). Independientemente del tipo de información que se esté enviando y/o recibiendo, e independientemente de la frecuencia, las antenas logran su cometido: transmitir o recibir una señal. Todo esto demuestra que la electrónica ha generado grandes avances tecnológicos, pero no tendría sentido si no se contará con los elementos finales para su transmisión y recepción, es decir, las antenas.
Se están llevando a cabo investigaciones a nivel mundial con las antenas de tipo parche (pequeña antena de tipo fractal, montada sobre una placa que de un lado tiene un elemento aislante y del otro un elemento conductor que normalmente es cobre, a esta se le llama tableta fenólica, además es usada en el montaje de dispositivos electrónicos como los que contiene un teléfono celular, una computadora, televisión, etc.). Se han diseñado arreglos que permiten hacer divisiones entre las señales que se transmiten y las señales que se reciben, logrando con esto que pronto se den los cambios en la manera de comunicar, por ejemplo, los teléfonos celulares con los diferentes repetidores y esto a su vez con otros usuarios, y que se reciba un mejor servicio. El estudio de las antenas va en crecimiento continuo, en un caso particular, se podrán realizan trabajos con metamateriales (material artificial que presenta propiedades electromagnéticas), así como con el plasma (capaces de acelerar a varios gigabit por segundo una conexión inalámbrica a Internet). En el Estado de Morelos dos Instituciones educativas (UAEM y UPEMOR, y en esta última por el autor del presente artículo) están llevando a cabo estos diseños de antenas y se han presentado en revistas de investigación a nivel internacional. Otra línea de investigación relativa a las antenas es la concerniente al uso de estas en aviones para detección de objetos a varios kilómetros de distancia (radares), que se están implementado en vehículos como elementos de seguridad, en este caso para un vehículo autónomo, proyecto que se está realizando en la UPEMOR.
Las antenas diseñadas y manufacturadas cuatro han sido de tipo parche con áreas redondeadas para optimizar un parámetro que mejora el comportamiento al estar radiando o recibiendo una señal, estas mediciones han sido verificadas mediante un analizador escalar de redes, que es un equipo que permite visualizar de manera gráfica el comportamiento de estos parámetros bajo los cuáles opera una antena transmisora/receptora.
Los resultados obtenidos en ambas líneas de investigación son: una mayor ganancia (nivel de potencia radiado) y mayor o menor ángulo de apertura (directividad), permitiendo que las antenas se puedan ensamblar en dispositivos móviles muy prácticos para transportar, que emiten niveles de radiación de baja potencia en los transmisores y dimensiones reducidas al ensamblarlas. Se han diseñado mediante un software especializado (Feko) para antenas y sus mediciones de laboratorio se han verificado mediante un analizador escalar de redes.
En conclusión, las antenas forman parte importante de la conectividad inalámbrica, su evolución y desarrollo están estrechamente vinculados al crecimiento de redes, las investigaciones están tomando nuevos caminos al emplear elementos no del todo metálicos, condición en que se basó en un principio de su aparición. En los avances logrados se han dado resultados satisfactorios al ampliar coberturas (satélites que transmiten a un continente completo o, dependiendo de su posición, a dos continentes a la vez), el aumento de su ganancia o nivel de potencia, y la posibilidad de ser más directivas como sucede con las naves espaciales al salir de la Tierra. El campo de investigación de las antenas es vasto y hay mucho por estudiar y desarrollar, sobre todo a lo referente a las antenas fractal.
M.C.E. Miguel Ángel Velasco Castillo
Profesor de Tiempo Completo (PTC), Universidad Politécnica del Estado de Morelos, Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones, coordinador de Comunicaciones, Telecomunicaciones y Gestión de Proyectos.