Como escoger y usar las antenas WiFi para dispositivos IoT

Introducción a las antenas WiFi y sus aplicaciones

Wi-Fi es una tecnología versátil usada en una gran variedad de sectores y aplicaciones como domótica, negocios, espacios públicos, industrias o transportes, entre muchos otros.

La tecnología Wi-Fi ha revolucionado la conectividad al proporcionar un acceso inalámbrico, cómodo y fiable a numerosas aplicaciones. Su adopción generalizada sigue impulsando la innovación y mejorando la productividad, la comodidad y la conectividad en diversos sectores.

En el momento de escoger la antena Wi-Fi correcta para para una aplicación IoT se deben tener en cuenta varios factores para garantizar un rendimiento y una fiabilidad óptimos. En este articulo se explican las consideraciones claves.

Aplicación de antenas

Las antenas Wi-Fi pueden ser clasificadas como antenas internas y externas.

Las antenas internas son usadas habitualmente para ahorrar espacio. Por ejemplo, ordenadores portátiles, dispositivos domésticos inteligentes y teléfonos. Algunos routers las utilizan para conseguir un aspecto más compacto. Estas antenas son adecuadas para áreas de cobertura de señal relativamente pequeñas o entornos de interior como hogares y oficinas.

Figura 1. Antena Wi-Fi interna, JCW406 – de JC Antenas.

Las antenas externas son usadas para obtener una señal óptima. Por ejemplo, los routers de alto rendimiento y los puntos de acceso las usan para mejorar la cobertura y la intensidad de la señal. Los dispositivos IoT que requieren áreas de cobertura más amplias y señales más potentes utilizan antenas externas.

Son adecuadas para aplicaciones en las que el dispositivo puede tener partes salientes. Se usan en exteriores o grandes áreas interiores como; fábricas, almacenes o grandes oficinas.

Figura 2. Antena WiFi externa, JCW406 – de JC Antenas.

Tamaño, factor de forma y emplazamiento

El tamaño y la forma de la antena deben ajustarse a las limitaciones e instalación del dispositivo IoT. El rendimiento de la antena y su tamaño reducido deben encontrar un equilibrio, estos dos factores son siempre factores restringidos.

La ubicación es fundamental para el rendimiento de la radiación de ondas electromagnéticas (EM) de la antena Wi-Fi. Es importante evitar obstáculos, para ayudar a una mejor propagación de la señal y mantener la antena alejada de dispositivos que puedan causar interferencias.

Bandas de frecuencia

La banda de frecuencia para la comunicación Wi-Fi incluye las bandas de 2,4GHz y de 5GHz. La onda electromagnética de la banda de 2,4GHz puede propagarse a mayor distancia que la de 5GHz. Sin embargo, la banda Wi-Fi de 2,4GHz tiene un ancho de banda estrecho. Según el teorema de Shannon un ancho de banda estrecho conlleva una menor velocidad de transmisión de datos.

La banda de 2,4 GHz abarca la frecuencia de 2,4 GHz a 2,4835 GHz. Hay 13 canales en esta banda, cada canal cubre la banda de frecuencia de 20 MHz. La distancia entre la frecuencia central de cada canal es de 5 MHz, como se muestra en la figura 3. Los canales 1, 6 y 11 están separados de forma que sus bandas de frecuencia no se solapan.

Figura 3. Canales en la banda de 2,4GHz.

La banda de 5 GHz cubre las frecuencias de 5,15 GHz a 5,35 GHz, y de 5,725 GHz a 5,85 GHz. También hay 13 canales, y cada canal no está solapado, como muestra la Figura 4.

Figura 4. Canales en la banda de 5GHz.

Tipos de antenas

Por las características de radiación, hay antenas omnidireccionales y antenas direccionales.

Omnidireccionales: Radian señales en todas las direcciones y son adecuadas para la cobertura general en aplicaciones IoT en las que los dispositivos están distribuidos alrededor de un punto central. La imagen 5 muestra el diagrama de radiación para una antena omnidireccional.

Figura 5. Diagrama de radiación omnidireccional.

Direccionales: Enfocan la señal en una dirección específica, proporcionando un mayor alcance y una mayor intensidad de señal en esa dirección, ideal para la comunicación punto a punto o cuando los dispositivos están alineados en una orientación específica. La imagen 6 muestra el diagrama de radiación para una antena direccional.

Figura 6. Diagrama de radiación direccional.

Ganancia

La ganancia de una antena Wi-Fi es una medida que indica la eficacia con la cual una antena puede transmitir o recibir ondas de radio en una dirección especifica en comparación con una antena isotrópica (una antena teórica que irradia potencia uniformemente en todas las direcciones). La ganancia de una antena suele expresarse en (dBi). La definición es: la relación entre la potencia radiada en la dirección de la señal más intensa y la potencia radiada por una antena isótropa en todas las direcciones. Las antenas de alta ganancia concentran más la señal en una dirección concreta, lo que amplia el alcance en esa dirección, pero reduce el ancho de haz. Son útiles para la comunicación punto a punto a larga distancia. Las antenas de mayor ganancia proporcionan mayor alcance y señales más potentes, pero reducen el área de cobertura.

Las antenas de baja ganancia distribuyen la señal más uniformemente en todas las direcciones. Son útiles para cubrir zonas amplias. La antena direccional suele tener mayor ganancia, pero un área de cobertura relativamente más estrecha. Así que es difícil tener una antena con alta ganancia y un área de cobertura más grande, el área de cobertura y la ganancia suelen ser dos factores contrapuestos. Se recomienda elegir la ganancia en función del área de cobertura y la distancia requerida por la aplicación.

Polarización

Hacer coincidir la polarización de la antena (vertical, horizontal o circular) con los requisitos del dispositivo garantiza una mejor recepción y transmisión de la señal. En cuanto a la antena Wi-Fi polarizada, la antena transmisora y la antena receptora deben tener la misma dirección polarizada. En cuanto a la antena de polarización circular, no hay ningún requisito estricto para la polarización de las ondas electromagnéticas.

Consideraciones medioambientales

Hay que asegurarse de que la antena es adecuada para las condiciones ambientales en las que va a funcionar, como interior o exterior, y que puede soportar factores como la temperatura, la humedad y los impactos físicos.

Las señales de comunicación Wi-Fi interfieren fácilmente, son bloqueadas por barreras, dispersadas por objetos circundantes, debido al complejo y versátil entorno de las aplicaciones. El comportamiento de la propagación de ondas EM incluye absorción, reflexión, refracción, dispersión, difracción, atenuación del trayecto y fenómeno multitrayecto.

Teniendo en cuenta estos factores ambientales, el despliegue de las antenas Wi-Fi puede optimizarse para lograr una mejor cobertura, intensidad de la señal y rendimiento general de la red.

Integración y compatibilidad

Es necesario seleccionar la antena Wi-Fi adecuada para garantizar una comunicación fiable y eficiente en las aplicaciones IoT. La integración de las antenas Wi-Fi en sistemas implica garantizar la compatibilidad con el hardware y el software de los dispositivos a los que se conectan. Una integración adecuada mejora el rendimiento, la cobertura y la fiabilidad.

Comprender los tipos de antenas y los casos de uso. Incluido el tipo de dirección de radiación, la forma de la antena y la ubicación de esta.

Compatibilidad de hardware. Incluye el tipo de conector, el puerto de la antena, la gama de frecuencias de los sistemas Wi-Fi y la adaptación de impedancias.

MIMO (Massive Input and Massive Output) aplicaciones para tecnología Wi-Fi

MIMO es una tecnología utilizada en las redes Wi-Fi para mejorar el rendimiento, la fiabilidad y la cobertura. Esta tecnología utiliza varias antenas tanto en el transmisor (ej: el router) como en el receptor (ej: el portátil) para enviar y recibir más datos simultáneamente. El campo electromagnético de las múltiples antenas puede acoplarse y conseguir la dirección de radiación deseada.

Las ventajas de las antenas MIMO son:

Mayor transmisión de datos: Al trasmitir varios flujos de datos simultáneamente, MIMO aumenta significativamente la velocidad de transmisión de datos.

Mayor fiabilidad: Las antenas múltiples mejoran la fiabilidad de la señal gracias a la ganancia de diversidad, mitigando los efectos de las interferencias y el desvanecimiento.

Mejor cobertura: MIMO mejora la cobertura utilizando la formación de haces y la diversidad espacial para dirigir las señales allí donde mas se necesitan.

En conclusión, las antenas MIMO proporcionan mejoras significativas en el caudal de datos, la fiabilidad y la cobertura. Al aprovechar múltiples antenas tanto en el transmisor como en el receptor permite un uso más eficiente del espectro inalámbrico y mejora el rendimiento general de la red.

Comprender e implementar la tecnología MIMO es esencial para desplegar redes Wi-Fi de alto rendimiento en diversas aplicaciones, desde redes domésticas y empresariales hasta Wi-Fi públicas y dispositivos IoT.

Figura 7. Antena no compatible con forma de haz y antena compatible con forma de haz.

Soluciones antena Wi-Fi de JC Antennas

Desde Eurotronix ofrecemos distintas soluciones de antenas Wi-Fi del fabricante JC Antennas, el cual está especializado en desarrollar soluciones para sectores como gestión de flotas de vehículos, redes de aeronaves, redes eléctricas o transporte inteligente, entre otros.

Cuenta con un gran equipo de i+D que desarrolla todos sus productos y dispone de laboratorio propio para hacer pruebas de todas las soluciones.

Los Product Managers y FAEs de Eurotronix te proporcionan soporte total en tus proyectos, aconsejándote sobre la antena adecuada para cualquiera de tus aplicaciones.