Diseño, Optimización y Validación de una Antena Yagi-Uda para Extender el Alcance de Comunicaciones LoRa en Agricultura

Resumen

La implementación efectiva de redes de sistemas inalámbricos basadas en LoRa en la agricultura se ve limitada por el alcance reducido de las antenas omnidireccionales que acompañan a muchos dispositivos comerciales. Este trabajo presenta el diseño, la optimización y la fabricación de bajo costo de una antena Yagi-Uda direccional para operar en la banda ISM de 868 MHz. La metodología combinó un diseño inicial mediante el método analítico de las Especificaciones Nacionales de Construcción (NBS) con una optimización paramétrica asistida por simulación electromagnética. Posteriormente, se fabricó un prototipo con materiales locales y se caracterizó mediante instrumentación de laboratorio. La optimización mejoró drásticamente los parámetros clave: la relación frente/espalda (F/B) aumentó de 1.4 dB a 16.68 dB, la razón de onda estacionaria (ROE) se redujo de >13 a 1.02, y la ganancia alcanzó 11.1 dBi. El prototipo, con un costo de fabricación de 3 USD, mostró una ganancia medida de 9.92 dBi y un F/B de 19.22 dB. En pruebas de campo integradas con módulos LoRa (LilyGo T-Beam), el sistema con la antena Yagi-Uda logró un alcance de comunicación confiable de hasta 6 km (factor de dispersión SF12), superando en más de un 300% el alcance máximo de 2 km obtenido con la antena omnidireccional de serie. Se demuestra que el diseño personalizado de antenas direccionales de bajo costo es una solución económicamente viable para superar las limitaciones de alcance en despliegues de IoT agrícola, particularmente en contextos con recursos limitados.