Los ingenieros electrónicos saben que las antenas envían y reciben señales en forma de ondas de energía electromagnética (EM) descritas por las ecuaciones de Maxwell. Como ocurre con muchos temas, estas ecuaciones, así como la propagación y las propiedades del electromagnetismo, pueden estudiarse a distintos niveles, desde términos relativamente cualitativos hasta ecuaciones complejas.
La propagación de la energía electromagnética abarca numerosos aspectos, entre ellos la polarización, que puede tener distintos grados de impacto o relevancia en las aplicaciones y el diseño de antenas. Los principios básicos de la polarización se aplican a toda la radiación electromagnética, incluyendo la radiofrecuencia/inalámbrica y la energía óptica, y se utilizan frecuentemente en aplicaciones ópticas.
¿Qué es la polarización de una antena?
Antes de comprender la polarización, primero debemos entender los principios básicos de las ondas electromagnéticas. Estas ondas están compuestas por campos eléctricos (campos E) y campos magnéticos (campos H) y se propagan en una sola dirección. Los campos E y H son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación de la onda plana.
La polarización se refiere al plano del campo eléctrico desde la perspectiva del transmisor de la señal: para la polarización horizontal, el campo eléctrico se moverá lateralmente en el plano horizontal, mientras que para la polarización vertical, el campo eléctrico oscilará hacia arriba y hacia abajo en el plano vertical (figura 1).
Figura 1: Las ondas de energía electromagnética constan de componentes de campo E y H mutuamente perpendiculares.
Polarización lineal y polarización circular
Los modos de polarización incluyen los siguientes:
En la polarización lineal básica, las dos polarizaciones posibles son ortogonales (perpendiculares) entre sí (Figura 2). En teoría, una antena receptora con polarización horizontal no detectará la señal de una antena con polarización vertical, y viceversa, incluso si ambas operan a la misma frecuencia. Cuanto mejor alineadas estén, mayor será la señal captada y máxima será la transferencia de energía cuando las polarizaciones coincidan.
Figura 2: La polarización lineal proporciona dos opciones de polarización perpendiculares entre sí.
La polarización oblicua de la antena es un tipo de polarización lineal. Al igual que la polarización horizontal y vertical básicas, esta polarización solo tiene sentido en un entorno terrestre. La polarización oblicua se produce a un ángulo de ±45 grados con respecto al plano de referencia horizontal. Si bien en realidad se trata de otra forma de polarización lineal, el término "lineal" generalmente se refiere únicamente a antenas con polarización horizontal o vertical.
A pesar de algunas pérdidas, la transmisión (o recepción) de señales mediante una antena diagonal solo es posible con antenas de polarización horizontal o vertical. Las antenas de polarización oblicua son útiles cuando se desconoce la polarización de una o ambas antenas, o cuando esta cambia durante su uso.
La polarización circular (PC) es más compleja que la polarización lineal. En este modo, la polarización representada por el vector del campo eléctrico (E) gira a medida que la señal se propaga. Cuando gira hacia la derecha (vista desde el transmisor), se denomina polarización circular dextrógira (PCD); cuando gira hacia la izquierda, se denomina polarización circular levógira (PCL) (Figura 3).
Figura 3: En la polarización circular, el vector del campo E de una onda electromagnética rota; esta rotación puede ser dextrógira o levógira.
Una señal de polarización circular (CP) consta de dos ondas ortogonales desfasadas. Para generar una señal CP se requieren tres condiciones: el campo eléctrico debe constar de dos componentes ortogonales, desfasadas 90 grados y de igual amplitud. Una forma sencilla de generar CP es mediante una antena helicoidal.
La polarización elíptica (PE) es un tipo de polarización circular (PC). Las ondas polarizadas elípticamente son el resultado de la combinación de dos ondas polarizadas linealmente, como las ondas PC. Cuando se combinan dos ondas polarizadas linealmente, perpendiculares entre sí y con amplitudes diferentes, se produce una onda polarizada elípticamente.
El desajuste de polarización entre antenas se describe mediante el factor de pérdida de polarización (PLF). Este parámetro se expresa en decibelios (dB) y depende de la diferencia en el ángulo de polarización entre las antenas transmisora y receptora. Teóricamente, el PLF puede variar desde 0 dB (sin pérdida) para una antena perfectamente alineada hasta infinito dB (pérdida infinita) para una antena perfectamente ortogonal.
En realidad, sin embargo, la alineación (o desalineación) de la polarización no es perfecta, ya que la posición mecánica de la antena, el comportamiento del usuario, la distorsión del canal, las reflexiones por trayectos múltiples y otros fenómenos pueden causar cierta distorsión angular del campo electromagnético transmitido. Inicialmente, habrá una "fuga" de señal por polarización cruzada de 10 a 30 dB o más con respecto a la polarización ortogonal, lo que en algunos casos puede ser suficiente para interferir con la recuperación de la señal deseada.
En cambio, la pérdida de señal real (PLF) para dos antenas alineadas con polarización ideal puede ser de 10 dB, 20 dB o incluso mayor, según las circunstancias, y puede dificultar la recuperación de la señal. En otras palabras, la polarización cruzada no deseada y la PLF pueden tener efectos contraproducentes, ya sea interfiriendo con la señal deseada o reduciendo su intensidad.
¿Por qué es importante la polarización?
La polarización funciona de dos maneras: cuanto más alineadas estén dos antenas y tengan la misma polarización, mayor será la intensidad de la señal recibida. Por el contrario, una mala alineación de la polarización dificulta que los receptores, ya sean los previstos o no, capten suficiente señal de interés. En muchos casos, el canal distorsiona la polarización transmitida, o bien una o ambas antenas no están orientadas en una dirección estática fija.
La elección de la polarización suele depender de la instalación o de las condiciones atmosféricas. Por ejemplo, una antena de polarización horizontal tendrá un mejor rendimiento y mantendrá su polarización cuando se instale cerca del techo; por el contrario, una antena de polarización vertical tendrá un mejor rendimiento y mantendrá su polarización cuando se instale cerca de una pared lateral.
La antena dipolo de uso generalizado (lisa o plegada) tiene polarización horizontal en su orientación de montaje "normal" (Figura 4) y a menudo se gira 90 grados para asumir la polarización vertical cuando sea necesario o para admitir un modo de polarización preferido (Figura 5).
Figura 4: Una antena dipolo se suele montar horizontalmente en su mástil para proporcionar polarización horizontal.
Figura 5: Para aplicaciones que requieren polarización vertical, la antena dipolo se puede montar de acuerdo con el lugar donde la antena capta
La polarización vertical se usa comúnmente en radios móviles portátiles, como las que utilizan los servicios de emergencia, porque muchos diseños de antenas de radio con polarización vertical también proporcionan un patrón de radiación omnidireccional. Por lo tanto, estas antenas no necesitan reorientarse aunque cambie la dirección de la radio y la antena.
Las antenas de alta frecuencia (HF) de 3 a 30 MHz suelen estar construidas con simples cables largos tendidos horizontalmente entre soportes. Su longitud viene determinada por la longitud de onda (10 a 100 m). Este tipo de antena tiene polarización horizontal natural.
Cabe destacar que la denominación de esta banda como de "alta frecuencia" se remonta a décadas atrás, cuando los 30 MHz se consideraban, en efecto, de alta frecuencia. Si bien esta descripción parece estar desactualizada, sigue siendo una designación oficial de la Unión Internacional de Telecomunicaciones y aún se utiliza ampliamente.
La polarización preferida puede determinarse de dos maneras: utilizando ondas terrestres para una señalización de corto alcance más potente mediante equipos de radiodifusión que emplean la banda de onda media (OM) de 300 kHz a 3 MHz, o utilizando ondas ionosféricas para distancias mayores a través de la ionosfera. En general, las antenas de polarización vertical presentan una mejor propagación de ondas terrestres, mientras que las de polarización horizontal ofrecen un mejor rendimiento con ondas ionosféricas.
La polarización circular se utiliza ampliamente en satélites debido a que la orientación del satélite con respecto a las estaciones terrestres y otros satélites cambia constantemente. La eficiencia entre las antenas transmisora y receptora es máxima cuando ambas tienen polarización circular, pero también se pueden usar antenas de polarización lineal con antenas de polarización circular, aunque existe un factor de pérdida por polarización.
La polarización también es importante para los sistemas 5G. Algunas matrices de antenas MIMO (entrada múltiple/salida múltiple) 5G logran un mayor rendimiento mediante la polarización, lo que permite aprovechar de forma más eficiente el espectro disponible. Esto se consigue mediante una combinación de diferentes polarizaciones de señal y la multiplexación espacial de las antenas (diversidad espacial).
El sistema puede transmitir dos flujos de datos porque están conectados por antenas independientes con polarización ortogonal y pueden recuperarse de forma independiente. Incluso si existe cierta polarización cruzada debido a la distorsión de la trayectoria y del canal, reflexiones, trayectos múltiples y otras imperfecciones, el receptor emplea algoritmos sofisticados para recuperar cada señal original, lo que resulta en bajas tasas de error de bits (BER) y, en última instancia, en una mejor utilización del espectro.
en conclusión
La polarización es una propiedad importante de las antenas que a menudo se pasa por alto. La polarización lineal (que incluye la horizontal y la vertical), la polarización oblicua, la polarización circular y la polarización elíptica se utilizan para diferentes aplicaciones. El rango de rendimiento de radiofrecuencia que puede alcanzar una antena depende de su orientación y alineación relativas. Las antenas estándar tienen diferentes polarizaciones y son adecuadas para distintas partes del espectro, proporcionando la polarización preferida para la aplicación específica.
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| Rango de frecuencia | 20-30 | GHz |
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| VSWR | 1.3 Típ. | |
| Polarización | Dual Lineal | |
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| Material | Al | |
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| Artículo | Especificación | Unidad |
| Rango de frecuencia | 1-18 | GHz |
| Ganar | 10 Tipo. | dBi |
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| Polarización | Lineal | |
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| Refinamiento | Pno | |
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| Tamaño(L*An*Al) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
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| Parámetros | Típico | Unidades |
| Rango de frecuencia | 2-18 | GHz |
| Ganar | 15 Típ. | dBi |
| VSWR | 1.5 Típ. |
|
| Polarización | Dual Lineal |
|
| Aislamiento de polarización cruzada | 40 | dB |
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| Conector | SMA-F |
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| Tratamiento de superficies | Pno |
|
| Tamaño(L*An*Al) | 276*147*147(±5) | mm |
| Peso | 0,945 | kg |
| Material | Al |
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| Temperatura de funcionamiento | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parámetros | Típico | Unidades |
| Rango de frecuencia | 93-95 | GHz |
| Ganar | 22 Típ. | dBi |
| VSWR | 1.3 Típ. |
|
| Polarización | Dual Lineal |
|
| Aislamiento de polarización cruzada | 60 Típ. | dB |
| Aislamiento de puertos | 67 Típ. | dB |
| Conector | WR10 |
|
| Material | Cu |
|
| Refinamiento | Dorado |
|
| Tamaño(L*An*Al) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Peso | 0,015 | kg |
Fecha de publicación: 11 de abril de 2024
