Antenas Wi-Fi. Lo que hay que saber

Las antenas son un elemento importante de cualquier equipo de radio, incluidos los routers Wi-Fi, sin embargo, son los grandes desconocidos. Una buena antena Wi-Fi puede mejorar mucho la cobertura y calidad de la señal de un router. Este hecho es especialmente importante si necesitamos dar cobertura Wi-Fi a un área muy extensa, si deseamos alcanzar largas distancias o cubrir un área muy específica.

Los routers que nos instalan los proveedores de acceso a Internet suelen tener una ganancia de unos 2 o 3 dBi. Existen antenas omnidireccionales (del mismo tipo de las que vienen en el router) que llegan a tener una ganancia de hasta 15 dBi o incluso más. Si nos interesa ampliar la cobertura en una sola dirección, las antenas direccionales puede superar los 25 dBi. Un simple cambio de antena puede mejorar la cobertura del Wi-Fi.

Otra de las ventajas de las antenas es que son muy baratas. Las hay desde unos pocos euros. Por tanto, investigar, pensar un poco y hacer pruebas con antenas distintas no nos va a suponer mucho gasto. Alternativamente, fabricar una antena casera no es nada complicado y llega a ser un reto divertido. Si le interesa este tema, le recomendamos esta lectura: Wi-Fi. Mejorar la cobertura con una antena casera.

En este artículo se explican las características técnicas de las antenas. Esto nos facilitará la labor de elegir una mejor antena para nuestro equipo y mejorar la experiencia de uso de nuestra red Wi-Fi. Veamos lo que hay que saber sobre las antenas Wi-Fi.

Qué es una antena

Las antenas son unos dispositivos destinados a la radiación y/o captación de ondas radioeléctricas, también conocidas como ondas electromagnéticas. La antena de un equipo emisor convierte señales eléctricas en ondas radioeléctricas, mientras que la antena de un equipo receptor capta las ondas y las convierte en señales eléctricas.

Una antena puede estar formada simplemente por una varilla metálica o ser un elemento más complejo donde se incluyen elementos reflectores de las ondas.

Un mismo equipo de radio, y su antena, puede ser utilizado tanto para transmitir como para recibir. A este conjunto se le llama transceptor o transceiver (transmitter-receiver, ‘transmisor-receptor’).

Una antena puede estar formada simplemente por una varilla metálica o ser un elemento más complejo donde se incluyen elementos reflectores de las ondas

De forma general, cuando en una comunicación fluye la información en ambos sentidos se habla de comunicación bidireccional. Si la transmisión y recepción no se realizan simultáneamente, sino alternativamente, se obtiene lo que se conoce como comunicación semidúplex (half-duplex, en inglés). Las comunicaciones Wi-Fi son bidireccionales semidúplex.

Unidades de medida

En el mercado existen muchos tipos de antenas, cada uno de ellos con sus ventajas e inconvenientes. Para saber diferenciar las características de cada uno de los modelos de antena, es necesario comprender su significado. Para esto, el primer inconveniente con el que nos encontramos es que se utiliza una unidad de medida a la que no estamos acostumbrados, el decibelio. Hay distintos tipos de decibelios:

• Decibelio (dB). Es una unidad de medida que muestra la relación que existe entre dos valores. Por ejemplo, puede medir la relación entre la potencia de entrada y de salida de un amplificador. La particularidad es que el decibelio mide esa relación en forma logarítmica: dB=10·Log(A/B). Dependiendo de cómo se lleve a cabo esta comparación de valores, tendremos distintos tipos de decibelio. Por ejemplo, mientras que la potencia se suele medir en dBm, la ganancia se hace en dBi.
• dBi (decibelio isótropo). En el caso de las antenas se habla de dBi para medir la ganancia de una antena comercial en relación con la de una antena estándar conocida con el nombre de isotrópica. Es como decir cuántas veces más que una antena isotrópica emite esta antena comercial.
• dBm. Por su parte, la unidad dBm se utiliza para medir el nivel de potencia de un equipo en relación con 1 mW (dBm=10·Log(Potencia/1mW)). Es como decir cuántas veces mayor a 1 mW emite el equipo. Por ejemplo, si la potencia de salida es de 100mW, la fórmula nos daría que se corresponde con 20 dBm (10·Log(100/1)=20 dBm). Esta unidad se utiliza, entre otras cosas, para medir la potencia de salida de los equipos de radio.

Características de las antenas

En cuanto a las características técnicas de las antenas, existen muchas y diversas, pero las principales son las siguientes:

• Ganancia (Gain). Viene a ser el grado de amplificación de la señal. En el caso de las antenas, la ganancia se mide en dBi y representa la relación entre la intensidad de campo que produce una antena particular comparada con una antena isotrópica. La antena isotrópica es una antena omnidireccional. La medida debe hacerse en el mismo punto y en las mismas condiciones. Una antena con una ganancia mayor tiene un mayor alcance. Las antenas de los routers Wi-Fi suelen ser antenas verticales omnidireccionales.
• Patrón de radiación (radiation pattern).  Es un gráfico o diagrama polar sobre el que se representa la fuerza de los campos electromagnéticos radiados por una antena. La forma del patrón de radiación depende del modelo de antena. Las antenas omnidireccionales emiten en todas direcciones y tienen menor alcance que las antenas direccionales. El patrón de radiación puede ser representado en dos planos perpendiculares conocidos como azimut (corte horizontal) y elevación (corte vertical). Los modelos de antenas comerciales suelen publicar sus patrones de radiación entre sus características.

La ganancia de las antenas Wi-Fi puede variar entre los 5 y los 25 dBi

• Apertura de haz. Este valor está relacionado con el modelo de radiación. Se expresa en grados y viene a representar la separación angular entre los dos puntos del lóbulo principal del patrón de radiación donde el valor de la energía electromagnética es la mitad de la original (-3 dB). La apertura del haz se suele representar, aunque no siempre, sobre el plano horizontal.
• Polarización. Describe la orientación de los campos electromagnéticos que irradia o recibe la antena. Las formas de polarización más comunes son las siguientes:
  • Vertical. Cuando el campo eléctrico generado por la antena es vertical con respecto al horizonte terrestre (va de arriba abajo).
  • Horizontal. Cuando el campo eléctrico generado por la antena es paralelo al horizonte terrestre.
  • Circular. Cuando el campo eléctrico generado por la antena va rotando de vertical a horizontal, y viceversa, creando movimientos circulares en todas direcciones. La polarización circular puede ser dextrógira (rotación a favor de las agujas del reloj, conocida también como CCW) y levógira (rotación en contra de las agujas del reloj, conocida también como CW).
  • Elíptica. Cuando el campo eléctrico se mueve como en la polarización circular pero con desigual fuerza en las distintas direcciones. Generalmente, este tipo de polarización no suele ser intencionado.

Idealmente, la polarización de las antenas de ambos extremos de la comunicación debe ser la misma para minimizar la pérdida de ganancia. En algunos casos, cambiando la inclinación de una o varias de las antenas del router Wi-Fi se consigue mejorar la cobertura. Esto se consigue al disminuir la diferencia de polarización de las antenas de emisor y receptor. No se pierde nada por probar.

Adicionalmente a las características anteriores, cuando se habla de antenas y de equipos de radio aparecen otros términos como:

• Potencia de transmisión (transmission power)
• Sensibilidad del receptor (Receiver sensitivity)
• Atenuación de la señal (Signal attenuation)
• Relación señal/ruido (signal-to-noise ratio o S/N ratio)

Uno de los mayores inconvenientes de los sistemas de radio es que, cuando se emite, no sólo se emiten los datos, sino que, mezclado con los datos, también se emiten ruidos. De la misma forma, cuando se recibe, no sólo se reciben los datos, sino que también se reciben ruidos. Este hecho inevitable, incluso en los sistemas digitales, se corrige utilizando técnicas especiales de modulación, filtrado, autocorrelación, etc.

Una transmisión se recibirá mejor cuanto más potente sea la señal de los datos en comparación con los ruidos. Al resultado de dividir el valor de la fuerza de la señal de los datos por el valor de la fuerza del ruido se le conoce como relación señal/ruido. Evidentemente, cuanto mayor sea este valor, mejor será la comunicación.

Tipos de antenas

Cuando nos decidimos a colocar una antena externa en el equipo del usuario (por ejemplo, un ordenador) o en los puntos de acceso (router Wi-Fi) es porque se busca un mayor o menor alcance o una cobertura específica. No se puede decir que una antena es mejor cuanto mayor es su ganancia, o por tener un determinado patrón de radiación. Cada necesidad, cada utilidad de la emisión de radio puede requerir unas características de antenas distintas.

Desde que Guillermo Marconi patentó la radio en 1896 se han venido desarrollando diversos tipos y modelos de antenas. En el mercado existen tantos tipos de antenas como ha permitido la imaginación: yagui, de panel, parabólica de disco, parabólica de rejilla, de techo, patch, dipolo, planas, compactas, móviles, sectoriales, espiral, guía-onda, anular, etc. Todos estos tipos de antenas pueden agruparse en dos tipos primarios:

• Omnidireccional. Son aquellas antenas que emiten la señal de radio en todas direcciones. Igualmente,  pueden captar las señales radioeléctricas procedentes de todas las direcciones. Suelen estar compuestas por una varilla metálica, aunque existen distintos tipos y modelos.
• Direccional. Estas antenas concentran su radiación en una dirección y sólo pueden captar la señal procedente de esa dirección. Las antenas direccionales tienen un mayor alcance (y ganancia) que las omnidireccionales a costa de concentrar su emisión. Cuanto más direccional es una antena, mayor es su alcance.

En las aplicaciones de redes corporativas, suele ser habitual usar los tipos omnidireccionales para interiores y los tipos direccionales para exteriores. No obstante, esto depende de los objetivos de cobertura buscados. Ambos tipos de antenas pueden utilizarse en cualquiera de los entornos.

Aunque hay distintos tipos de antenas omnidireccionales, la más común está formada por una varilla metálica de una longitud proporcional a la longitud de onda de la frecuencia en la que se pretende emitir y recibir. En cuanto a las antenas direccionales, existen una mayor variedad de modelos, entre los que destacan los siguientes:

• Yagui. Se trata de una antena direccional inventada en 1926 por los japoneses Hidetsugu Yagi y Shintaro Uda.  Se compone de una varilla central cruzada por varias varillas transversales (unas hacen la función de reflector y otras de directores). Suelen venir montadas en el interior de una cobertura cilíndrica. Tienen una apertura de haz de entre 15 y 60 grados. Su ganancia varía entre los 6 y los 21 dBi.
• Patch o parche. Es una antena plana para ser montada en la pared o en un mástil. Fue patentada en 1955 y se compone de un plano inferior y otro superior más pequeño sobre el que va el parche (patch) radiante. Emite energía siguiendo un modelo semiesférico. Tienen ganancias de entre 12 y 22 dBi. Su mayor inconveniente es que, si se monta en el exterior, al ser plana, puede sufrir por la fuerza del viento.
• Parabólica. Este tipo de antenas ya fue utilizado por Marconi en 1895. Se compone de un disco en forma de parábola y de un dispositivo radiante/receptor ubicado en el foco de la parábola. En transmisión, el reflector parabólico refleja las ondas electromagnéticas generadas por el dispositivo radiante, mientras que en recepción dirige las ondas al dispositivo receptor. Con este tipo de antenas se consiguen unos haces muy direccionales. Es muy útil para comunicaciones punto a punto y se pueden conseguir ganancias de hasta 27 dBi. En el mercado existen distintas configuraciones de antenas parabólicas: redondas, malladas, cuadradas, etc.
• Además de las anteriores, hay otros diferentes tipos de antenas (dipolos, reflectores, etc.) que pueden ser utilizadas en las instalaciones Wi-Fi. En cualquier caso, siempre es conveniente asegurarse de que la antena está construida para funcionar en la banda de frecuencias de 2,4 GHz o 5 GHz dependiendo del tipo de equipo con el que se cuente.

Por qué se utiliza más de una antena

En las comunicaciones por radio hay un efecto que se conoce como diversidad en la recepción. Aunque existen distintos tipos de diversidad, los routers Wi-Fi suelen utilizar la diversidad espacial. Consiste en utilizar dos antenas separadas para recibir la misma señal dos veces. Esta separación hace que la señas recibida en cada antena sea distinta debido a los efectos de la difracción y las condiciones ambientales en cada momento. El sistema recibe ambas señales y escoge la mejor en cada momento.

Los routers Wi-Fi tienen dos o más antenas. Aunque la separación entre ellas no sea muy grande, es lo suficiente como para conseguir una mejora considerable de la señal recibida.

Otro motivo por el que los equipos Wi-Fi tienen más de una antena es porque pueden trabajar simultáneamente en las frecuencias de 2,4 GHz y 5 GHz. El resultado es mejor si se utilizan antenas distintas para las distintas frecuencias. Ya van cuatro antenas.

Por último, las tecnologías Wi-Fi más modernas consiguen mejorar el alcance de su señal y el número de terminales que pueden atender simultáneamente utilizando distintas técnicas que requieren de varias antenas. Estas técnicas se vienen utilizando desde la versión Wi-Fi 4 (Wi -Fi n).

Por un lado, la técnica MU-MIMO (Múltiples-usuario, múltiples entradas y múltiples salidas) utiliza las distintas antenas para establecer varias comunicaciones simultáneas con terminales distintos. Mientras más antenas tenga, a más terminales podrá atender de forma simultánea. Por otro, la técnica conocida como beamforming (formación de haces) le permite mejorar el alcance de la señal y conseguir una cobertura a mayor velocidad en entornos hostiles.

La técnica beamforming consiste en emitir la misma señal por las distintas antenas del router pero retrasadas levemente unas de otras. Debido a los distintos obstáculos, rebotes y a que las antenas están separadas, las distintas señales que se reciben no son idénticas, resultando que, entre todas estas señales, se puede formar una única señal mejorada.

Elegir una antena

Ya hemos visto los conceptos generales relacionados con la tecnología de las antenas, así que ya podemos elegir la más adecuada para resolver nuestras necesidades. No obstante, antes de seguir adelante, recordemos rápidamente los conceptos más importantes que hay que tener en cuenta a la hora de elegir una antena:

• Frecuencia. Una antena no es un dispositivo universal. Cada antena está fabricada para un rango de frecuencias determinado. Recordar que las tecnologías Wi-Fi actuales trabajan tanto en la frecuencia de 2,4 GHz como de 5 GHz.
• Ganancia. La ganancia es uno de los parámetros fundamentales de una antena. A mayor ganancia mayor alcance. No obstante, hay que tener en cuenta que la ganancia real de una antena depende también de los cables y conectores utilizados.
• Conectores y cable. Tanto los conectores como los cables introducen pérdidas. Por este motivo, hay que procurar utilizar el menor número de conectores y la menor longitud de cable posible.
• Tipo de antena. Cuando se va a buscar una antena, es importante que ésta disponga de las características de direccionalidad que se necesita. Esto suele venir marcado por el tipo de antena. No obstante, dentro de un mismo tipo de antena existen diferencias significativas.
• Polarización. Hay que asegurarse de que la polarización de las distintas antenas que intervienen en la comunicación sea la misma (horizontal o vertical).

Más información sobre Wi-Fi

En este artículo se ha hablado sobre las antenas Wi-Fi. Los contenidos sobre esta tecnología son muy amplios y están tratados en este blog en distintos artículos publicados. De hecho, este contenido forma parte de un conjunto de artículos que abordan de forma detallada cómo funciona la tecnología Wi-Fi e internet. Si tiene interés en algún tema concreto particular, por favor, utilice el buscador de contenidos que tenemos en la cabecera del blog.

En cualquier caso, le sugerimos algunos otros artículos relacionados:

• Wi-Fi: Guía Completa sobre su tecnología y configuración
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