Polarización de antena: qué es y por qué es importante

Los ingenieros electrónicos entienden que las antenas irradian y reciben señales en forma de ondas de energía EM (electromagnética), tal como se caracteriza en las ecuaciones de Maxwell. Al igual que con muchos temas, estas ecuaciones, junto con la propagación y los atributos EM, se pueden examinar en varios niveles, desde términos relativamente cualitativos hasta ecuaciones complicadas.

La polarización es uno de los muchos aspectos de la propagación de energía EM que puede tener diversos grados de impacto o preocupación en una aplicación y en su diseño de antena. Sus principios básicos se aplican a toda la radiación EM, incluida la energía de RF (radiofrecuencia)/inalámbrica y óptica, y se utiliza a menudo en aplicaciones ópticas. Aquí, solo estamos considerando la RF.

¿Qué es la polarización de antena?

Comprender la polarización comienza con los conceptos básicos de las ondas EM. Estas ondas consisten en un campo eléctrico (campo E) y un campo magnético (campo H) que viajan en una sola dirección. El campo E y el campo H son perpendiculares entre sí y también a la dirección a lo largo de la cual se propaga la onda plana.

La polarización se refiere al plano del campo E desde la perspectiva de mirarlo desde el transmisor de la señal: para la polarización horizontal, el campo eléctrico se moverá hacia los lados en un plano horizontal, mientras que para la polarización vertical, el campo eléctrico oscilará hacia arriba y hacia abajo en un plano vertical (Figura 1).

Figura 1: Una onda de energía electromagnética consta de componentes de campo E y de campo horizontal en ángulo recto entre sí. (Fuente de imagen: Electronic-Notes)

Un par de antenas de transmisión y recepción funciona mejor cuando la polarización de las antenas de transmisión y recepción están en el mismo plano. Por supuesto, como “en el espacio nadie puede oír tus gritos” (disculpas y guiño a la clásica película de 1979, Alien, el octavo pasajero). También es cierto que no existe lo horizontal ni lo vertical en el espacio. No obstante, el concepto de polarización y alineación de antena para la máxima transferencia y captura de energía de la señal sigue siendo válido.

Polarización lineal y circular

Hay varios modos de polarización:

• En la polarización lineal básica, las dos polarizaciones posibles son ortogonales (en ángulo recto) entre sí (Figura 2). En teoría, una antena receptora con polarización horizontal no “vería” una señal de una con polarización vertical y viceversa, incluso si las dos funcionaran a la misma frecuencia. Cuanto más cerca esté su alineación, más señal se capta, con la máxima transferencia de energía cuando se igualan las polarizaciones.

Figura 2: La polarización lineal ofrece la opción de dos polarizaciones en ángulo recto entre sí. (Fuente de imagen: Mimosa Networks, Inc.)

• La polarización inclinada de una antena es una variación de la polarización lineal. Al igual que con la polarización horizontal y vertical básica, solo tiene significado en un contexto terrestre. La polarización inclinada está a ±45 grados desde un plano de referencia horizontal. Aunque esto es realmente solo otra forma de polarización lineal, el término lineal generalmente se refiere solo a antenas que están polarizadas horizontal o verticalmente.

Una señal enviada (o recibida) por una antena inclinada será viable para usar con una antena polarizada horizontal o vertical solamente, aunque con algunas pérdidas. Una antena con polarización inclinada es útil cuando la polarización de una o ambas antenas es desconocida o cambia durante el uso.

• La CP (polarización circular) es más complicada que la polarización lineal. En este modo, la polarización representada por el vector de campo E gira a medida que se propaga la señal. Cuando gira hacia la derecha, mirando hacia afuera desde el transmisor, la polarización se denomina RHCP (polarización circular derecha), y cuando gira hacia la izquierda, se conoce como LHCP (polarización circular izquierda) (Figura 3).

Figura 3: En la polarización circular, el vector de campo E de la onda EM gira; esta rotación puede ser a la derecha o a la izquierda. (Fuente de imagen: JEM Engineering)

Una señal de CP consta de dos ondas ortogonales que están desfasadas. Se necesitan tres condiciones para crearla. El campo E debe tener dos componentes ortogonales, y estos deben estar desfasados 90 grados y tener la misma magnitud. Una forma sencilla de crear CP es utilizar una antena helicoidal.

• La EP (polarización elíptica) es una variación de la CP. Las ondas polarizadas elípticamente se generan a partir de dos ondas polarizadas linealmente, como las ondas de la CP. Cuando se combinan dos ondas polarizadas linealmente mutuamente perpendiculares con amplitud desigual, se produce la onda polarizada elípticamente.

El desajuste de polarización entre antenas se caracteriza por el PLF (factor de pérdida de polarización). El parámetro se expresa en decibelios (dB) y es una función de la diferencia angular en la polarización entre las antenas transmisora y receptora. En teoría, el PLF puede variar desde 0 dB (sin pérdida) para antenas perfectamente alineadas hasta infinitos dB (pérdida infinita) para antenas perfectamente ortogonales.

En la práctica, sin embargo, la alineación (o desalineación) de la polarización no es perfecta, ya que la posición mecánica de las antenas, las acciones del usuario, la distorsión del canal, los reflejos de trayectos múltiples y otros fenómenos provocan cierta torsión angular del campo EM transmitido. Inicialmente, las polarizaciones ortogonales pueden tener una "fuga" de polarización cruzada de la señal de 10 a 30 dB o más, lo que puede ser suficiente para interferir con la recuperación de la señal deseada en algunos casos.

Por el contrario, dos antenas con polarización y alineación ideales pueden tener un PLF real de 10, 20 o más dB, según los detalles de la situación, lo que puede impedir la recuperación de la señal. En otras palabras, la polarización cruzada involuntaria y el PLF funcionan en ambos sentidos al interferir con la señal deseada o al disminuir la intensidad de la señal deseada.

¿Por qué preocuparse por la polarización?

La polarización funciona de dos maneras: cuanto más estrechamente estén alineadas dos antenas y tengan la misma polarización, mejor será la intensidad de la señal recibida. Por el contrario, una polarización mal alineada puede dificultar que un receptor deseado o no deseado capture suficiente señal útil. En muchos casos, el "canal" distorsiona la polarización transmitida, o una o ambas antenas no están en orientaciones estáticas fijas.

La elección de qué polarización utilizar suele estar determinada por la instalación o las condiciones atmosféricas. Por ejemplo, una antena con polarización horizontal funcionará mejor y conservará su polarización cuando se instale cerca del techo; por el contrario, una antena con polarización vertical muestra un rendimiento de polarización más cercano al nominal cuando se instala cerca de una pared lateral.

La antena dipolo ampliamente utilizada (regular o plegada) tiene polarización horizontal en su orientación de instalación "normal" (Figura 4) y, a menudo, se gira 90 grados para presentar una polarización vertical si es necesario o para admitir un modo de polarización preferido (Figura 5).

Figura 4: Una antena dipolo generalmente se instala horizontalmente en su mástil para proporcionar polarización horizontal. (Fuente de imagen: KAC Radio)

Figura 5: Para aplicaciones donde se requiere polarización vertical, la antena dipolo se puede instalar en el mástil. (Fuente de imagen: Progressive Concepts)

Con frecuencia, la polarización vertical se usa para radios móviles portátiles, como las que usan los socorristas, porque muchos diseños de antenas de radio con polarización vertical también proporcionan un patrón de radiación omnidireccional. En consecuencia, estas antenas no tienen que ser reorientadas, incluso cuando la radio y la orientación de la antena cambien.

Las antenas para la banda de HF (alta frecuencia) de 3 a 30 megahercios (MHz) suelen construirse como simples cables largos tendidos horizontalmente entre soportes. Esta larga longitud está dictada por la longitud de onda (10 a 100 metros [m]). Estas antenas están naturalmente polarizadas de forma horizontal.

Es interesante notar que el uso de la designación "alta frecuencia" para esta banda se estableció hace muchas décadas cuando 30 MHz era, de hecho, una alta frecuencia. Si bien esa caracterización ahora puede parecer arcaica, es una designación oficial de la Unión Internacional de Telecomunicaciones que todavía se usa ampliamente.

La polarización preferida también puede estar determinada por si el radiodifusor en la banda de MW (onda media) de 300 kilohercios (kHz) a 3 MHz está utilizando ondas terrestres para una propagación de la señal más fuerte y cercana, u ondas celestes a través de la ionosfera para enlaces de larga distancia. En general, la propagación de las ondas terrestres es mejor con una antena de polarización vertical, mientras que el rendimiento de las ondas celestes es mejor con la polarización horizontal.

La polarización circular se utiliza mucho con los satélites, ya que su orientación con respecto a la estación terrestre y a otros satélites cambia constantemente. La máxima eficiencia entre las antenas transmisoras y receptoras se produce cuando ambas antenas están polarizadas circularmente, pero se puede utilizar una antena de polarización lineal junto con una antena de CP, con cierto factor de pérdida de polarización.

La polarización también es importante para los sistemas 5G. Algunos conjuntos de antenas de MIMO (entrada múltiple/salida múltiple) de 5G consiguen aumentar el rendimiento mediante un uso más eficiente del espectro disponible a través de la polarización. Para ello, se utiliza una combinación de diferentes polarizaciones de la señal y la multiplexación espacial (diversidad espacial) de las antenas.

El sistema puede transmitir dos flujos de datos, ya que están conectados a antenas separadas con polarizaciones ortogonales que se pueden recuperar de forma independiente. Aunque haya cierta polarización cruzada debido a la distorsión del trayecto y del canal, a las reflexiones, a los trayectos múltiples y a otras imperfecciones, los sofisticados algoritmos del receptor pueden recuperar cada señal original para obtener una BER (tasa de error de bits) baja, lo que mejora la utilización del espectro.

Las antenas estándar ofrecen opciones de polarización

Es fácil suponer que la polarización solo es un problema con las antenas grandes, montadas en mástil y muy visibles, pero no es así. Por ejemplo, PCTel tiene la BOAH515905NM, una antena Wi-Fi con polarización horizontal para su uso entre 5.1 GHz y 5.9 GHz, dirigida principalmente a puntos de acceso 802.11ac en exteriores (Figura 6).

Figura 6: La antena Wi-Fi con polarización horizontal BOAH515905NM de PCTel está diseñada para proporcionar un punto de acceso exterior para conectividad wifi de 5.1 GHz a 5.9 GHz (802.11ac). (Fuente de imagen: PCTel)

La antena, totalmente sellada y con grado de protección IP67, está alojada en un radomo de plástico blanco, estable a los rayos UV (ultravioletas) y resistente, que incluye un conector integral tipo N para montaje en panel (hay disponibles versiones macho y hembra). Mide 1.26 pulgadas de diámetro exterior × 6.32 pulgadas de longitud (3.20 x 16.1 centímetros), proporciona una ganancia nominal de 5 dBi y tiene una VSWR (relación de onda estacionaria de voltaje) inferior a 2:1 en toda la banda designada.

La polarización también se puede diseñar en antenas mucho más pequeñas. La antena de Taoglas, PC140.07.0100A, es una antena polarizada circularmente de 2.45 GHz (nominal) para aplicaciones ISM (industriales, científicas y médicas), Bluetooth y Wi-Fi (Figura 7).

Figura 7: Esta diminuta antena PC140.07.0100A de Taoglas está diseñada para ser empotrada en una caja junto a la placa de circuitos del sistema. (Fuente de la imagen: Taoglas)

Esta diminuta antena de 50 ohmios (Ω), de apenas 57 × 57 milímetros (mm) cuadrados y 0.97 mm de grosor, viene con un cable coaxial de 1.13 mm de diámetro, 100 mm de longitud y terminado en un conector IPEX (un conector estándar de 50 Ω de montaje superficial que se suelda directamente a la placa de PC [circuito impreso]). La antena está fabricada con material de placa de circuito FR-4 y se monta fácilmente mediante su parche adhesivo integral.

El diagrama de radiación de esta antena es altamente omnidireccional, como se observa en sus diagramas de radiación X-Y y X-Z (Figura 8). Su VSWR es inferior a 2:1, y su eficiencia es de alrededor del 60 % en la banda de funcionamiento de 2.4 a 2.5 GHz.

Figura 8: Los patrones de radiación de la PC140.07.0100A de Taoglas muestran su naturaleza bastante omnidireccional en los planos X-Y (izquierda) y X-Z (derecha). (Fuente de la imagen: Taoglas)

Conclusión

La polarización es un atributo importante de la antena que suele pasarse por alto. Las polarizaciones lineales (tanto horizontales como verticales), inclinadas, circulares y elípticas se utilizan en diferentes aplicaciones. Proporcionan rangos de rendimiento de RF de extremo a extremo según su orientación y alineación relativas. Las antenas estándar están disponibles con diferentes polarizaciones y para diferentes partes del espectro, y proporcionan la polarización preferida para la aplicación de destino.

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Referencias

1: JEM Engineering, “Intro to Antenna Polarization” (Introducción a la polarización de antena)

https://jemengineering.com/blog-intro-to-antenna-polarization/

2: Mimosa Networks, Inc., “Antenna Polarization Basics” (Conceptos básicos sobre la polarización de antena)

https://mimosa.co/white-papers/antenna-polarization

3: Mimosa Networks, Inc., “Demystifying Antenna Polarizations” (Desmitificación de las polarizaciones de antena)

https://mimosa.co/white-papers/antenna-polarization-2

4: Electronics-Notes, “Antenna Polarization” (Polarización de antena)

https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/antenna-theory/polarisation-polarization.php

5: Antenna-theory.com, “Polarization of Plane Waves” (Polarización de ondas planas)

https://www.antenna-theory.com/basics/polarization.php

6: Electronics Desk, “Antenna Polarization” (Polarización de antena)

https://electronicsdesk.com/antenna-polarization.html

https://www.mpantenna.com/antenna-polarization-explained/

7: MP Antenna, Ltd., “Antenna Polarization Explained” (Explicación sobre la polarización de antena)

https://www.mpantenna.com/antenna-polarization-explained/