Diversidad de antenas

La diversidad de antenas , también conocida como diversidad espacial , es uno de los diversos esquemas de diversidad inalámbrica que utiliza dos o más antenas para mejorar la calidad y la fiabilidad de un enlace inalámbrico. A menudo, especialmente en entornos urbanos e interiores, no existe una línea de visión directa entre el transmisor y el receptor. En su lugar, la señal se refleja a lo largo de múltiples trayectorias antes de ser recibida. Cada una de estas reflexiones puede introducir desfases, retardos, atenuaciones y distorsiones que pueden interferir destructivamente entre sí en la apertura de la antena receptora.

La diversidad de antenas es especialmente eficaz para mitigar las situaciones de multitrayectoria . Esto se debe a que varias antenas ofrecen al receptor múltiples observaciones de la misma señal. Cada antena experimenta un entorno de interferencia diferente. Por lo tanto, si una antena sufre una atenuación profunda , es probable que otra tenga una señal suficiente. En conjunto, este sistema puede proporcionar un enlace robusto. Si bien esto se observa principalmente en sistemas de recepción ( recepción con diversidad ), la tecnología analógica también ha demostrado ser valiosa para sistemas de transmisión ( diversidad de transmisión ).

Un esquema de diversidad de antenas requiere inherentemente hardware e integración adicionales en comparación con un sistema de antena única, pero debido a la similitud de las rutas de señal, se puede compartir una cantidad considerable de circuitos. Además, con las múltiples señales, el receptor exige una mayor capacidad de procesamiento, lo que puede conllevar requisitos de diseño más estrictos. Sin embargo, por lo general, la fiabilidad de la señal es primordial, y el uso de múltiples antenas es una forma eficaz de reducir el número de interrupciones y pérdidas de conexión.

Técnicas de antenas

La diversidad de antenas se puede implementar de varias maneras. Según el entorno y la interferencia prevista, los diseñadores pueden emplear uno o más de estos métodos para mejorar la calidad de la señal. De hecho, con frecuencia se utilizan varios métodos para aumentar aún más la fiabilidad.

La diversidad espacial emplea múltiples antenas, generalmente con las mismas características, que están físicamente separadas entre sí. Dependiendo de la incidencia esperada de la señal entrante, a veces basta con una distancia del orden de una longitud de onda. Otras veces se necesitan distancias mucho mayores.
- La macrodiversidad se da cuando los transmisores están espaciados a una distancia mucho mayor que la longitud de onda. Cuando el espaciado es del mismo orden o menor que la longitud de onda, se denomina microdiversidad .
- La celularización o sectorización , por ejemplo, es un esquema de diversidad espacial que permite ubicar antenas o estaciones base a kilómetros de distancia. Esto resulta especialmente beneficioso para la industria de las comunicaciones móviles, ya que permite que múltiples usuarios compartan un espectro de comunicación limitado y eviten la interferencia cocanal .
La diversidad de patrones consiste en dos o más antenas ubicadas en el mismo lugar con diferentespatrones de radiación. Este tipo de diversidad utilizaantenas direccionalesque generalmente están separadas físicamente por una distancia (a menudo corta). En conjunto, son capaces de discriminar una gran parte del espacio angular y pueden proporcionar una mayor ganancia que un radiador omnidireccional único.
La diversidad de polarización combina pares de antenas conpolarizaciones polarización circularizquierda/derecha,etc.). Las señales reflejadas pueden sufrir cambios de polarización dependiendo del medio por el que viajan. Una diferencia de polarización de 90° produce una atenuación de hasta 34 dB en la intensidad de la señal. Al combinar dos polarizaciones complementarias, este esquema puede proteger un sistema de desajustes de polarización que, de otro modo, causarían el desvanecimiento de la señal. Además, esta diversidad ha demostrado ser valiosa en estaciones base de radio y comunicaciones móviles, ya que es menos susceptible a las orientaciones casi aleatorias de las antenas transmisoras.^{[ 1 ]}
La diversidad de transmisión/recepción utiliza dos antenas separadas y ubicadas en el mismo lugar para las funciones de transmisión y recepción. Esta configuración elimina la necesidad de unduplexory puede proteger los componentes sensibles del receptor de la alta potencia utilizada en la transmisión.
Las antenas adaptativas pueden consistir en una sola antena con elementos activos o en una matriz de antenas similares con capacidad para modificar su patrón de radiación combinado según las condiciones ambientales. Las antenas de barrido electrónico activo (AESA) manipulandesfasadoresy atenuadores en la superficie de cada elemento radiante para proporcionar una capacidad de barrido casi instantánea, así como control del patrón y la polarización. Esto resulta especialmente beneficioso para aplicaciones de radar, ya que permite que una sola antena alterne entre varios modos, como búsqueda, seguimiento, mapeo y contramedidas de interferencia.

Técnicas de procesamiento

Todas las técnicas mencionadas anteriormente requieren algún tipo de procesamiento posterior para recuperar el mensaje deseado. Entre estas técnicas se encuentran:

Conmutación: En un receptor conmutado, la señal de una sola antena se envía al receptor mientras su calidad se mantenga por encima de un umbral predefinido. Si la señal se degrada, se activa otra antena. La conmutación es la técnica de procesamiento de diversidad de antenas más sencilla y de menor consumo energético, pero pueden producirse periodos de desvanecimiento y desincronización mientras la calidad de una antena se degrada y se establece el enlace con otra.
Selección: Al igual que con la conmutación, el procesamiento de selección presenta al receptor la señal de una sola antena en cada momento. Sin embargo, la antena elegida se basa en la mejor relación señal-ruido (SNR) entre las señales recibidas. Esto requiere una medición previa y que todas las antenas tengan conexiones establecidas (al menos durante la medición de la SNR), lo que conlleva un mayor consumo de energía. El proceso de selección puede realizarse entre los paquetes de información recibidos. Esto garantiza que se mantenga la conexión de una sola antena en la medida de lo posible. La conmutación puede realizarse paquete por paquete si es necesario.
Combinación: En la combinación, todas las antenas mantienen conexiones establecidas en todo momento. Las señales se combinan y se envían al receptor. Según la complejidad del sistema, las señales se pueden sumar directamente (combinación de ganancia igual) o ponderarse y sumarse coherentemente ( combinación de relación máxima ). Este sistema ofrece la mayor resistencia al desvanecimiento, pero dado que todas las rutas de recepción deben permanecer energizadas, también consume la mayor cantidad de energía.
Control dinámico: Los receptores con control dinámico pueden seleccionar entre los esquemas de procesamiento descritos anteriormente según las necesidades. Si bien son mucho más complejos, optimizan el equilibrio entre potencia y rendimiento. Las transiciones entre modos o conexiones de antena se indican mediante un cambio en la calidad percibida del enlace. En situaciones de baja atenuación, el receptor puede prescindir de la diversidad y utilizar la señal de una sola antena. A medida que las condiciones empeoran, el receptor puede adoptar los modos descritos anteriormente, que ofrecen mayor fiabilidad pero consumen más energía.

Aplicaciones

Una aplicación práctica muy conocida de la recepción por diversidad se encuentra en los micrófonos inalámbricos y en dispositivos electrónicos similares, como los sistemas de guitarra inalámbricos. Un micrófono inalámbrico con un receptor sin diversidad (un receptor con una sola antena) es propenso a interrupciones, atenuaciones, ruido u otras interferencias aleatorias , especialmente si el transmisor (el micrófono inalámbrico) está en movimiento. Un micrófono inalámbrico o un sistema de sonido que utiliza recepción por diversidad cambia a la otra antena en microsegundos si una de ellas experimenta ruido, lo que proporciona una señal de mejor calidad con menos interrupciones y ruido. Idealmente, no debería haber interrupciones ni ruido en la señal recibida.

Otro uso común se encuentra en equipos de redes Wi-Fi y teléfonos inalámbricos para compensar la interferencia por trayectos múltiples . La estación base cambia la recepción a una de dos antenas según cuál esté recibiendo una señal más fuerte. Para obtener mejores resultados, las antenas suelen colocarse separadas por una longitud de onda. En las bandas de microondas , donde las longitudes de onda son inferiores a 100 cm, esto a menudo se puede lograr con dos antenas conectadas al mismo hardware. Para frecuencias más bajas y longitudes de onda más largas, las antenas deben estar separadas por varios metros, lo que lo hace mucho menos práctico.

Las torres de telefonía móvil también suelen aprovechar la diversidad: cada sector de la torre suele tener dos antenas; una transmite y recibe, mientras que la otra solo recibe. Se utilizan dos receptores para la recepción con diversidad.

Antenas celulares en un poste de electricidad que muestran dos antenas por sector.

El uso de múltiples antenas tanto en la transmisión como en la recepción da como resultado un sistema de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO). El uso de técnicas de diversidad en ambos extremos del enlace se denomina codificación espacio-temporal .