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Guía para seleccionar la antena de un vehículo

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Mark Patrick, Mouser Electronics

Los vehículos modernos ofrecen un conjunto fantástico de características, como la seguridad, el confort o el infoentretenimiento, y un gran número de estas dependen de la conectividad inalámbrica. Los módulos inalámbricos precertificados con antena son muy populares, pero no disponen de una opción viable para algunas aplicaciones. En este artículo, hablaremos sobre qué opciones hay cuando los ingenieros necesitan añadir una antena en el plan de diseño. Como ayuda para el lector, vamos a incluir una sección sobre los principios básicos del diseño de antenas, a fin de explicar el significado de algunos términos necesarios a la hora de seleccionar un modelo. Hablaremos de antenas que van montadas en el exterior del vehículo (por ejemplo, para la conectividad SAAC, GPS o V2X) y de las que se instalan dentro de una UCE o sistema de infoentretenimiento para la conectividad wifi y Bluetooth dentro del vehículo.

La conectividad en el coche moderno

Las antenas de los coches han cambiado en gran medida desde los modelos telescópicos simples de los setenta. En aquella época, antes de los sistemas de infoentretenimiento, la antena solo se usaba para la radio. Actualmente, las antenas se utilizan para muchas más cosas. Por ejemplo, el sistema de infoentretenimiento incluye radio, sistema de navegación y conectividad inalámbrica para móviles. Algunas funciones de los sistemas avanzados de asistencia a la conducción (SAAC) también necesitan una conectividad inalámbrica a otros servicios en la nube para el trazado del itinerario y, dentro de poco, para las funciones avanzadas vehículo a vehículo (V2V/C2C) y vehículo a infraestructura (V2X/C2X). Dentro del propio vehículo, la comunicación inalámbrica se utiliza para ofrecer wifi a los pasajeros y para la comunicación entre distintas funciones, como los indicadores de ángulo muerto en los retrovisores.

Vivimos en la era del coche conectado, y algo tan básico como la antena juega un papel fundamental para ofrecer comunicaciones fiables y sólidas para servicios externos y dentro del vehículo.

Para seleccionar la antena adecuada, es esencial que entendamos bien cuáles son las necesidades de la aplicación, y el parámetro inicial es la frecuencia de funcionamiento. Actualmente, el sintonizador de radio de los coches no suele tener onda media (530 a 1700 kHz) ni onda larga (150 a 250 kHz); la opción más popular es la frecuencia muy alta (VHF) modulada (FM, 80 a 108 MHz). Sin embargo, la radio digital de mayor calidad, como la transmisión digital de audio (DAB) del Reino Unido, utiliza el espectro de 175 a 240 MHz.

Aparte de la transmisión de radio, los principales rangos de frecuencia son para el wifi y el Bluetooth (2,4 Ghz), el GNSS (1,1 a 1,6 Ghz) y los móviles (700, 850 y 1700-2100 Mhz). Además, las redes 5G añaden la frecuencia de 6 Ghz a esta lista. La mayoría de aplicaciones V2X/V2V utilizan métodos de comunicación móvil centrados en 5,9 GHz.

Tipos de antenas

En términos generales, podemos hablar de antenas de tipo externo e interno.

Las antenas externas suelen ir montadas en la parte trasera del techo del vehículo, a fin de minimizar las interferencias electromagnéticas del motor. Las características eléctricas de la antena, de las que hablaremos en la siguiente sección, son importantes, pero también es esencial proteger la antena frente a la entrada de humedad, polvo y otros elementos contaminantes. El grado de protección frente a la entrada de elementos se define con normativas IP internacionales. La antena está expuesta a todas las inclemencias del tiempo, así que debe funcionar con fiabilidad a pesar de la lluvia, la congelación o los fuertes vientos. Muchas antenas externas están dentro de una carcasa de plástico con forma de aleta de tiburón, lo que tiene un objetivo estético y medioambiental. La carcasa es aerodinámica y está hecha de un material que se puede pintar del mismo color que el vehículo. Otras antenas externas disponen de un dispositivo parecido a un disco que suele ir acoplado magnéticamente al chasis del coche. Muchas antenas externas son, en realidad, varias antenas dentro de una misma caja, pero conectadas de forma independiente a los distintos sistemas: GNSS, móvil/5G y V2X/V2C.

En el campo de las antenas internas hay algo más de variedad, y suelen ir montadas sobre una placa de circuito impreso o grabadas en una pista de esta. Algunas antenas internas están diseñadas para ir montadas fuera del sistema al que se conectan y suelen disponer de un panel de montaje autoadhesivo y un cable coaxial para el sistema integrado.

Principios básicos del funcionamiento de una antena

Al seleccionar una antena para su aplicación, debe tener en cuenta algunos parámetros importantes. El rendimiento de una antena se compone de distintos atributos que garantizan la transferencia más eficaz posible de energía de radiofrecuencia desde el transmisor de la antena hacia el exterior. La salida del transmisor se envía por una línea de transmisión, como un cable coaxial, hacia la antena. Del mismo modo, la antena también debe recoger eficazmente la señal y transmitirla al receptor. El concepto básico de una antena es el de un cable de una determinada longitud. Esa longitud depende de la frecuencia a la que debe funcionar. La antena es resonante cuando su longitud es igual a la longitud de onda (medida en metros) de la señal recibida o transmitida. Por ejemplo, una frecuencia de 2,4 Ghz tiene una longitud de onda de 12,5 cm.

En la mayoría de casos, la eficacia de una antena se limita a una banda estrecha de frecuencias. Se fabrican antenas de muchas maneras, y la más simple es un dipolo. Normalmente, los dipolos se describen según su longitud de onda de funcionamiento; es decir, dipolo de onda completa o de media onda.

A continuación, proporcionamos una breve explicación de los parámetros más importantes que puede encontrar, a fin de ayudarle a seleccionar una antena e interpretar las hojas de características:

Pérdida de retorno: este término hace referencia al grado de adaptación de la antena con la sección de salida del transmisor y la línea de transmisión. Se expresa en dB e indica la parte de la salida que se refleja desde la antena y la línea de transmisión debido a la falta de adaptación. La mayoría de antenas tienen una impedancia de 50 ohmios, así que necesitan ajustarse a la línea de transmisión y a la etapa final del transmisor. Cuanto mayor sea la pérdida de retorno en dB, menor será la potencia reflejada. Una adaptación perfecta supondría una pérdida de retorno casi infinita. Otra manera de medir la pérdida de retorno es a través de la relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR), que indica la relación entre la potencia en la salida del transmisor y la cantidad de potencia reflejada. Una adaptación perfecta se expresa como VSWR igual a 1 (o 1:1). La VSWR o el parámetro de pérdida de retorno se encuentra en la ficha técnica de una antena, para una frecuencia específica o en una gama pequeña de frecuencias de funcionamiento.

Una VSWR igual a 2 indica una pérdida de retorno de 10 dB, unos parámetros que se utilizan como el estándar ideal para el diseño.

Las fichas técnicas suelen incluir gráficos del rendimiento de la pérdida de retorno y la VSWR en función de la frecuencia. En la imagen 1, se puede ver el gráfico de VSWR de una antena PulseLarsen, con el rango óptimo de frecuencias de funcionamiento de 650 a 880 Mhz para comunicaciones móviles o ISM.

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Imagen 1: gráfico de la VSWR en una antena de perfil bajo de la serie ICEFIN de PulseLarsen (fuente: PulseLarsen).

Patrón de radiación y ganancia de la antena: la imagen 2 muestra las características del patrón de radiación de una antena PulseLarsen ICEFIN. Gracias a su diseño, algunas antenas son más eficaces que otras a la hora de emitir energía de radiofrecuencia en algunas direcciones. Una antena tiene ganancia cuando la cantidad de potencia emitida en una dirección determinada es mayor que la potencia de entrada a la antena. Un patrón de radiación omnidireccional se considera ideal para la mayoría de aplicaciones prácticas, y las características del plano (vertical/elevación u horizontal) son esenciales en algunos casos. Tenga en cuenta que las características de la antena son igual de importantes en el rendimiento del receptor que en el del transmisor.

tipos de antenas
Imagen 2: características de radiación de una antena PulseLarsen ICEFIN (fuente: PulseLarsen).

Adaptación de impedancia: como se ha dicho antes, la mayoría de antenas tienen una impedancia de 50 ohmios. La antena debe adaptarse a la impedancia de salida del transmisor y a la línea de transmisión; probablemente, será un cable coaxial con la impedancia adecuada para antenas externas, pero deberá adaptarse a la de la antena en caso de que haya que añadir el cable. En las antenas en placas de circuito impreso, quizá sea necesario crear una red de adaptación (normalmente, con bobinas y condensadores) entre el CI del transceptor y la antena en la placa o montada en la superficie. La impedancia cambia con la frecuencia. Las características de pérdida de ganancia/VSWR de una antena se miden con un equipo especial llamado analizador de redes vectoriales (VNA). Los VNA se venden como instrumento independiente o como parte de un analizador de espectro de radiofrecuencia de alta gama.

Normalmente, un VNA incluye muchas funciones de prueba con pantallas gráficas, como VSWR, pérdida de retorno e impedancia. La impedancia de la antena se suele mostrar como una carta de Smith (ver imagen 3).

diferentes tipos de antenas
Imagen 3: carta de Smith con la impedancia de una antena Taoglas MA310 para GNSS (fuente: Taoglas).

En resumen, la línea central (en rojo) de la carta es una impedancia resistiva; por encima, pasa a ser inductiva y, por debajo, pasa a ser capacitiva. El lado derecho es un circuito abierto y el izquierdo es un cortocircuito. La curva verde muestra el cambio de la impedancia de la antena en función de la frecuencia. La posición 1.0 en la línea roja muestra la adaptación perfecta de la impedancia de la antena.

Ejemplos de antenas

La Taoglas Raptor 3 (imagen 4) es un ejemplo de antena de calificación IP67, montada externamente y con carcasa del tipo aleta de tiburón. Es una buena opción para automóviles y vehículos comerciales, y combina varias antenas en una carcasa: GNSS, MIMO móvil 4G/5G, wifi de banda doble, antena AM/FM activa y TETRA (sistema «trunking» de radio).

ejemplos de antenas
Imagen 4: antena Taoglas Raptor 3, montada externamente y con carcasa del tipo aleta de tiburón (fuente: Taoglas).

En aplicaciones GNSS, la antena tipo parche Taoglas GPDF357, integrada y de montaje interno, es compatible con todas las bandas GPS y Galileo, y ofrece una excelente capacidad omnidireccional y de ganancia. Además, es un modelo compacto (ver la imagen 5) ideal para diferentes aplicaciones de posicionamiento de alta precisión en el campo de la seguridad ciudadana y la agricultura inteligente.

antena vehiculo
Imagen 5: la antena GNSS Taoglas GPDF357 (fuente: Taoglas).

Otra antena multibanda es el modelo 4 en 1 Taoglas MA354. Esta antena compacta, de bajo perfil y con calificación IP65 dispone de un montaje magnético integrado, así que se puede instalar en el vehículo rápidamente y sin necesidad de hacer agujeros. Contiene cinco antenas internas para disponer de wifi de doble banda, 4G/5G con compatibilidad 3G/2G y GNSS.

antena de vehiculo
Imagen 6: antena compacta Taoglas MA354; montaje magnético y externo (fuente: Taoglas).

Otra antena multibanda, de montaje externo y con calificación IP67 es el modelo de la serie PulseLarsen IceFin (ver imagen 7). Esta serie ofrece antenas en un rango de frecuencias desde 698 hasta 6000 MHz.

antena de lujo para vehiculos
Imagen 7: antena multibanda PulseLarsen IceFin (fuente: PulseLarsen).

PulseLarsen también ofrece diferentes kits de antenas con distintos modelos (integrados, internos y externos) para prototipos y desarrollo. Los kits están disponibles en tres versiones: kits científicos, médicos y de instrumentación (ISM), kits LoRa e internet de las cosas (IdC). El kit de antena IdC es un ejemplo, y está compuesto por veintiséis antenas distintas para aplicaciones del IdC; cuentan con conectividad móvil, GNSS y wifi de doble banda. Hay diferentes tipos de antena, como cerámicas, helicoidales, en placa de circuito impreso, de palo o tipo «blade».

Una conectividad fiable requiere la antena adecuada

En este artículo, le hemos explicado lo que debe saber para ayudarle a seleccionar una antena. Hemos hablado de algunos de los tipos más comunes de antena y hemos puesto algunos ejemplos. Para ayudarle a entender las hojas de características, hemos descrito brevemente algunos de los parámetros más importantes que debe conocer sobre las antenas a fin de seleccionar el mejor modelo para su aplicación.

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