Retos y logros de la medida de antenas en España

España es un actor reconocido en el entorno internacional en el ámbito de la medida y caracterización de antenas, tanto por las instalaciones disponibles para dar servicio a la empresa, docencia e investigación, como por el grado de experiencia de los múltiples y variados grupos de investigación dedicados a plantear nuevas técnicas y sistemas de medida. También por las empresas que ofrecen servicios en este sector.

Las antenas son, sin duda, elementos fundamentales en cualquier sistema de telecomunicaciones inalámbrico, porque permiten controlar de qué forma se emiten y/o captan las ondas electromagnéticas.

La caracterización precisa de las mismas requiere del empleo de instalaciones de medida especializadas, siendo las más habituales las instalaciones en ‘cámara anecoica’. Dichas cámaras son recintos cerrados cubiertos de un material que absorbe la radiación electromagnética, minimizando las reflexiones de las ondas en las paredes, suelo y techo de la cámara. De esta forma, se puede medir la antena en condiciones similares a un escenario ideal libre de obstáculos. En ocasiones, estos recintos también tienen un cierto grado de apantallamiento electromagnético (como una jaula de Faraday) para evitar que emisiones electromagnéticas externas puedan interferir en la medida.

España, país pionero

Al igual que gran parte del equipamiento científico-técnico vinculado a la I+D+i en telecomunicaciones, las instalaciones para la medida y caracterización de antenas son técnicamente complejas y de coste elevado. A pesar de ello, España es uno de los países pioneros en este ámbito, contando con numerosos grupos de investigación y empresas que no solamente cuentan con este tipo de instalaciones, sino que participan activamente en el desarrollo de nuevas técnicas y métodos de medida, que dan solución a las necesidades que presentan los nuevos diseños de antenas empleados en los futuros sistemas de telecomunicaciones.

España es un actor reconocido en el entorno internacional en el ámbito de la medida y caracterización de antenas

Una institución pionera en el ámbito de la medida de antenas es el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), que puso en servicio a finales de la década de 1960 un campo abierto de medida de antenas por reflexión en el suelo (foto 1).

En la década de los 80 se construyó en INTA la conocida cámara anecoica semiabierta (foto 2) para caracterización de antenas de gran tamaño que, por sus dimensiones, no cabrían en una cámara anecoica más compacta.

En este tipo de instalaciones, la antena y la sonda de medida se sitúan a varios metros sobre el suelo, intentado colocar material absorbente en la zona equidistante entre antena y sonda con el fin de minimizar la reflexión de las ondas en el suelo. Debido al espacio físico y complejidad de operación que requieren este tipo de cámaras semianecoicas, la instalación del INTA es la única existente en España.

La Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de la Universidad Politécnica de Madrid (ETSIT-UPM), decana de las escuelas de Ingeniería de Telecomunicación en España, ha sido también pionera en el ámbito de medida de antenas en nuestro país, al contar con la primera cámara anecoica española.

Esta cámara, diseñada y construida por el profesor José Luis Besada, fue puesta en servicio en el año 1978. Las instalaciones para medida de antenas de la ETSIT-UPM se complementaron con otros rangos de medida en cámara anecoica, tales como un ‘rango compacto’ (foto 3) o un sistema plano-cilíndrico-esférico para medida de grandes antenas, que permiten evaluar el rendimiento de la antena en un espacio físicamente más pequeño que el requerido para las pruebas de campo tradicionales.

Las instalaciones para la medida y caracterización de las antenas son técnicamente complejas y de coste elevado

En los últimos 20 años del siglo XX surgieron nuevas escuelas de Ingeniería de Telecomunicación en España, con los consiguientes grupos de investigación vinculados a esta titulación. Muchos de los grupos cuyas líneas de I+D están directamente relacionadas con el diseño, fabricación, y medida de antenas cuentan con una cámara anecoica, tal y como se puede comprobar en la base de datos de instalaciones de medida de antenas en España, disponible en la página web de URSI-España.

Por ejemplo, entre 1989 y 1992 se comisionan los rangos esféricos de la Universitat Politècnica de València y de la Universitat Politècnica de Catalunya, el primero de los rangos planos de la Universitat de València, y el rango compacto de la ETSIT-UPM.

En el cambio de siglo, se produce la puesta en marcha del rango esférico de la Universidad de Oviedo (foto 4) y del sistema plano-cilíndrico-esférico de la ETSIT-UPM (foto 5). Por razones de espacio no se pueden describir en este artículo todas las cámaras que existen en nuestro país ni sus capacidades, pero se remite al lector a la página web anterior que se mantiene actualizada con las nuevas instalaciones que se van abriendo y las nuevas capacidades de las ya existentes.

La llegada masiva de nuevos sistemas inalámbricos ha hecho evolucionar las técnicas de medida de antenas disponibles

El tipo de rango de medida en cámara anecoica más extendido en nuestro país es el denominado rango esférico (foto 4), donde la antena bajo medida se rota de tal modo que se puede medir el campo electromagnético radiado en cada una de las direcciones del espacio (lo que se denomina adquisición esférica).

Otro rango de medida implementado por diversos grupos de investigación y entidades es el rango plano (foto 5), donde la medida del campo radiado por la antena se realiza en un plano situado a una cierta distancia de la antena bajo prueba.

En cuanto a bandas de frecuencia, se observa que la mayoría de las instalaciones permite operación hasta 40 GHz, lo que posibilita la medida de antenas empleadas en la mayoría de los sistemas de telecomunicaciones inalámbricos existentes.

La principal limitación para poder medir a mayor frecuencia viene impuesta por la atenuación de elementos tales como cables y, sobre todo, las juntas rotatorias empleadas para transmitir las señales de radiofrecuencia a través de los ejes de los posicionadores.

Empresas y grupos de investigación

Hay dos empresas de capital español del ámbito de medida de antenas (EMITE y Antenna Systems Solutions) que tienen presencia y clientes a nivel internacional. EMITE está especializada en sistemas reverberantes para la medida Over-The-Air (OTA) de parámetros de antenas activas, terminales y sistemas MIMO.

Por su parte, Antenna Systems Solutions es una empresa líder como proveedor y productor de sistemas de medida de antenas para las industrias aeroespacial, automovilística, académica, y defensa.

El tipo de rango de medida en cámara anecoica más extendido en nuestro país es el denominado rango esférico

En cuanto a los grupos de investigación, son numerosos los que se enmarcan en el ámbito de la medida de antenas en España, bien por su investigación específica en técnicas de medida o por la disposición y utilización de instalaciones de medida para validación experimental de sus diseños y prototipos. Se remite de nuevo al lector a la lista y descripción de instalaciones de medida de antenas en España, disponible y en constante actualización, en la página web de URSI- España.

Nuevos retos

La llegada masiva de nuevos sistemas inalámbricos, ya no solo para el ámbito de las comunicaciones, sino como sensores, en aplicaciones biomédicas, o incluso para adquisición de energía, ha hecho evolucionar las técnicas de medida de antenas disponibles.

Las antenas son cada vez más complejas, funcionando en bandas de frecuencia que se van acercando al mundo de las comunicaciones ópticas e integrándose cada vez más con los subsistemas de radiofrecuencia o de procesado de señal. Esto hace que las técnicas de medida de antenas hayan tenido que evolucionar muy rápidamente en los últimos años para poder seguir realizando ensayos o calibraciones con las más altas precisiones.

En cuanto a bandas de frecuencia, se observa que la mayoría de las instalaciones permite operación hasta 40 GHz

Junto a ello, los avances en herramientas de computación, tanto con hardware más rápido y con mayor memoria, como con algoritmos en los que se combinan técnicas de computación en la nube, uso masivo de datos e Inteligencia Artificial permiten manejar cada vez mejor toda la información disponible de las antenas para reducir la incertidumbre y el tiempo de medida. Más retos importantes a los que nos enfrentamos a nivel internacional en el cuadro adjunto.

Debemos abordar dichos retos junto con todos nuestros socios internacionales con la seguridad de que los grupos de investigación de las universidades, los centros de investigación españoles y las empresas del sector están muy bien posicionadas en este campo en el que la investigación, el desarrollo y la innovación llevan décadas muy activas.