Observaciones generales sobre la selección y el montaje de antena

autor: MadMesh_Rad

La elección de la antena no es algo sencillo. No existe una antena ideal que sea universal y buena para todos. A veces una antena “mejor en papel” puede darnos peores resultados. La banda de 868 MHz es caprichosa y no solo cuentan la ganancia y el tamaño de la antena. Las pruebas que se ven en internet a menudo están influenciadas por intereses comerciales y los resultados no se pueden reproducir en tu ubicación específica. En LoRaWAN, un transmisor estándar dispone de una potencia de alrededor de 0,15 W (22 dBm), lo que puede parecer poco, pero con una instalación adecuada de la antena permite lograr enlaces de más de 100–150 km sin gastar mucho dinero ni usar antenas direccionales complejas de múltiples elementos.

Para una buena instalación de la antena hay tres cosas más importantes:

1. Ubicación

2. Ubicación

3. Ubicación

¿Suena a broma? Puede ser, pero no lo es. La ubicación de la antena determinará la elección de la antena y lo que eres capaz de lograr desde ese lugar. Durante el proyecto “activación de Meshcore para Madrid” tuve la oportunidad de probar muchas ubicaciones diferentes; algunas eran mejores, otras peores. En algunas se logró instalar repetidores, y algunas de ellas son ubicaciones excelentes.

¡La altura es cobertura!

Es algo bastante evidente, cuanto más alto coloques la antena respecto al terreno circundante, mayor alcance puedes esperar

El entorno de la antena:

Entorno limpio: cualquier objeto situado cerca de la antena influirá de alguna manera en su rendimiento. Especialmente los elementos metálicos reducirán el alcance y aumentarán la ROE (SWR) de la antena, en casos extremos esto puede provocar daños en el transmisor. El lugar ideal para una antena sería suspendida en el aire, lejos de cualquier obstáculo, por ejemplo colgada de una cuerda bajo un globo. Vale, volvamos a la realidad, eso no va a pasar.

A la frecuencia de 868 MHz y con una potencia de 0,15W, el enlace de la señal de radio es limitada. No cuentes con atravesar muchas capas de hormigón. En ciudades con alta densidad de edificios, el alcance de LoRaWAN es muy limitado. En espacios abiertos, alcanzar 100–150 km no supone ningún problema. El único límite es la altura desde la que transmites. Como muestran ejemplos en la costa, utilizando ductos troposféricos y con buena propagación, se pueden lograr distancias mucho mayores. Sobre tierra será más difícil de conseguir.

No existen lugares ideales para montar una antena (al menos yo no los he encontrado), así que el lugar de instalación siempre será un compromiso técnico en mayor o menor medida. En general, intenta colocar la antena lo más alto posible, lo más lejos de objetos metálicos y con la mejor vista posible del entorno. A veces, elevar la antena solo 1 metro o moverla ligeramente hacia un lado puede provocar cambios drásticos en la intensidad de la señal.

¡Vale la pena experimentar!

Noise Floor:

Por desgracia, incluso la mejor ubicación puede verse arruinada por un “asesino sigiloso de LoRaWAN” que acecha en las ciudades. Las ubicaciones elevadas son especialmentes vulnerables a él, el ruido de fondo (Noise Floor).

En condiciones ideales, sin interferencias externas, para nuestra frecuencia y ancho de banda se puede esperar alrededor de -125 dB (para un ancho de banda de 62,5kHz y 20C)

Es el nivel de ruido de los electrones en movimiento, depende del ancho de banda y de la temperatura (Johnson–Nyquist noise / Thermal Noise)

Los dispositivos eléctricos, transformadores y líneas de energía, todo lo que funciona con electricidad, generan algún tipo de interferencia, pero los mayores enemigos son otras antenas. Cuanto más cercana sea la frecuencia en la que transmiten y mayor sea su potencia, mayor será su impacto en el noise floor.

¿Qué significa esto para nosotros? En la práctica, el noise floor es crítico para la banda LoRa. Cuanto mayores sean las interferencias, más paquetes se pierden y menos mensajes llegan a su destino.

A continuación, una clasificación de los niveles de noise floor y lo que significan (No todo el mundo tiene que estar de acuerdo con esto, pero son los resultados de mis observaciones)

• -120 dB y mejor - Condiciones ideales, ¡te ha tocado la lotería!

• -115db / -120db - Es excelente, las pérdidas de señal son imperceptibles, llega el 100% de los mensajes.

• -110db / -115db - Las pérdidas de señal empiezan a ser perceptibles, no todos los mensajes llegan. En estas condiciones, el filtro ya empieza a tener sentido, pero solo si tiene bajas pérdidas (2 dB o menos), porque lo que ganes en noise floor lo perderás en atenuación.

• -100db / -110db - Grandes pérdidas de señal, hasta la mitad de los mensajes pueden no llegar. Definitivamente, un filtro será útil.

• Por debajo de -100dB - Solo empeora, el filtro es imprescindible y empiezan los problemas para conectarse al repetidor. El filtro o cambiar de ubicación es necesario.

Controlar la situación con un noise floor peor que -80/-90 dB es realmente un gran desafío.

Además, el noise floor normalmente no es constante, a menudo cambia de un minuto a otro, dependiendo del clima, la radiación solar, las precipitaciones y la humedad del aire. Vale la pena comprobar el lugar de instalación antes de montar el equipo y luego monitorizar regularmente este parámetro. Las condiciones en el lugar de instalación pueden cambiar.

Recuerda algo importante, una antena con mayor ganancia no solo aumenta el nivel de la señal útil, sino también el ruido. Condiciones medias con una antena pequeña (SMA) pueden volverse rápidamente malas al instalar una antena de alta ganancia (por ejemplo, de fibra).

En mi opinión, la prioridad es mantener el noise floor bajo control, en el nivel más bajo posible.

ROE (SWR):

Aunque está al final, no es menos importante (gracias Julio por recordarlo).

El ROE es una información sobre la eficiencia de la antena, qué porcentaje de la potencia generada por el transmisor se ha radiado y cuánto ha regresado. Una antena que tenga 1:1 no significa que sea una antena excelente. Una carga artificial (dummy load) siempre da un ROE de 1:1, pero no transmite nada.

El ROE se puede considerar como una forma de comprobar si la antena es segura para el transmisor (un valor por debajo de 3:1 se considera seguro para el transistor de potencia). Más importante es dónde resuena la antena, si el punto donde se alcanza el mínimo ROE coincide con la frecuencia en la que vamos a usarla. Un ROE de 1,5:1 supone una pérdida de alrededor del 5% de potencia, lo cual no es nada dramático.

Pérdida de potencia a diferentes valores de ROE

Gracias a los amigos por las correcciones y sugerencias que ayudaron a la creación de este texto.