Polarización de antena: qué es y por qué importa

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Todo ingeniero electrónico sabe que las antenas transmiten y reciben señales en forma de ondas electromagnéticas (ondas de energía electromagnética), cuyas propiedades pueden describirse mediante las ecuaciones de Maxwell. Al igual que muchos temas técnicos especializados, podemos interpretar estas ecuaciones, junto con las reglas de propagación y las características de las ondas electromagnéticas, desde múltiples dimensiones, que van desde descripciones cualitativas relativamente sencillas hasta fórmulas matemáticas complejas y detalladas.

La polarización es una de las numerosas características de la propagación de la energía electromagnética. Sus efectos y el grado en que debe considerarse varían ampliamente según los diferentes escenarios de aplicación y los diseños de antena correspondientes. Los principios fundamentales de la polarización se aplican a toda la radiación electromagnética, incluidas las señales de radiofrecuencia (RF)/inalámbricas y la energía de ondas luminosas, y la polarización tiene un uso extensivo en el campo de la óptica. Este artículo solo cubre la banda de frecuencia RF.

¿Qué es la polarización de antena?

Para comprender la polarización, primero se deben dominar los conceptos básicos de las ondas electromagnéticas. Una onda electromagnética consta de un campo eléctrico (campo E) y un campo magnético (campo H) que viajan en la misma dirección. El campo eléctrico y el campo magnético son perpendiculares entre sí, y ambos son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda plana.

La polarización se define como el plano de vibración del campo eléctrico al observar desde el extremo transmisor hacia la dirección de propagación de la onda. En la polarización horizontal, el campo eléctrico oscila de un lado a otro dentro del plano horizontal; en la polarización vertical, el campo eléctrico vibra hacia arriba y hacia abajo dentro del plano vertical (consulte la Figura 1).

Figura 1: Onda electromagnética con componentes de campo eléctrico y magnético mutuamente perpendiculares

Las antenas transmisoras y receptoras forman un par de antenas , y el rendimiento del transceptor alcanza su máximo cuando ambas comparten planos de polarización idénticos. Como guiño a la icónica frase de la película de 1979 Alien—«En el espacio, nadie puede oír tus gritos»—, no existe una distinción inherente entre la polarización horizontal y vertical en el espacio exterior. Aun así, las teorías de coincidencia de polarización y alineación de antenas siguen siendo válidas para maximizar la transmisión y recepción de energía de la señal.

Polarización lineal y circular

Las ondas electromagnéticas presentan múltiples modos de polarización:

• La polarización lineal básica incluye dos formas de polarización ortogonales (perpendiculares) entre sí (consulte la Figura 2). Teóricamente, una antena receptora con polarización horizontal no puede capturar ninguna señal emitida por una antena transmisora con polarización vertical que opere en la misma frecuencia, y viceversa. Cuanto más próximas sean las orientaciones de polarización de las dos antenas, más fuerte será la señal recibida; la eficiencia de transferencia de energía de la señal alcanza su punto máximo cuando la polarización coincide perfectamente.

Figura 2: La polarización lineal ofrece dos formas de polarización mutuamente ortogonales

• La polarización inclinada es una variante de la polarización lineal. Al igual que la polarización horizontal y vertical estándar, esta definición solo se aplica a escenarios terrestres. La polarización inclinada forma un ángulo de ±45° con respecto al plano horizontal. Aunque la polarización inclinada es fundamentalmente lineal, cuando los profesionales del sector hacen referencia a «polarización lineal», normalmente se refieren únicamente a antenas con polarización horizontal o vertical.
• Las señales emitidas o recibidas por antenas con polarización inclinada pueden ser captadas por antenas con polarización puramente horizontal o vertical, aunque con cierta pérdida de señal. Las antenas con polarización inclinada son ideales para casos de uso donde se desconoce el estado de polarización de una o ambas antenas, o donde la polarización cambia durante el funcionamiento.
• La polarización circular (CP) es más compleja que la polarización lineal. En este modo de polarización, el vector del campo eléctrico gira continuamente a medida que la señal se propaga. Cuando se observa hacia afuera desde el extremo transmisor, la rotación en el sentido de las agujas del reloj del vector del campo eléctrico se denomina polarización circular derecha (RHCP); la rotación en sentido contrario a las agujas del reloj se denomina polarización circular izquierda (LHCP) (consulte la Figura 3).

Figura 3: El vector del campo eléctrico de las ondas electromagnéticas con polarización circular gira, dividido en tipos derecho e izquierdo

Las señales con polarización circular se forman mediante la superposición de dos ondas electromagnéticas ortogonales con un desfase de 90°. Deben cumplirse tres criterios para generar polarización circular: el campo eléctrico debe contener dos componentes ortogonales; los dos componentes deben tener una diferencia de fase de 90°; y ambos componentes deben tener la misma amplitud. Las antenas helicoidales proporcionan una solución sencilla para generar ondas con polarización circular.

• La polarización elíptica (EP) es un derivado de la polarización circular. Al igual que las ondas con polarización circular, las ondas con polarización elíptica se sintetizan a partir de dos ondas con polarización lineal. La polarización elíptica se forma cuando se superponen dos ondas con polarización lineal mutuamente perpendiculares y con amplitudes desiguales.

El grado de desajuste de polarización entre dos antenas se cuantifica mediante el Factor de Pérdida por Polarización (PLF), medido en decibelios (dB). Su valor está determinado por el ángulo de polarización entre las antenas transmisora y receptora. Teóricamente, el PLF es igual a 0 dB con una coincidencia perfecta de polarización (pérdida cero); si las dos antenas tienen polarizaciones completamente ortogonales, el PLF se aproxima al infinito (atenuación completa de la señal).

Sin embargo, en aplicaciones reales, las antenas no pueden lograr una polarización perfectamente coincidente ni completamente ortogonal. La desalineación de la instalación mecánica, los errores de operación humana, la distorsión del canal, las reflexiones multitrayecto y otros factores introducen desviaciones angulares en la dirección de polarización del campo eléctrico transmitido. Incluso si dos antenas están diseñadas para polarizaciones ortogonales, en la práctica sigue produciéndose una fuga de polarización cruzada de 10 a 30 dB o más. En algunos escenarios, esta señal filtrada es lo suficientemente fuerte como para interferir con la demodulación de la señal deseada.

Por el contrario, incluso con una polarización ideal y una alineación precisa de dos antenas, los factores ambientales reales pueden elevar el PLF a 10 dB, 20 dB o más, degradando la recepción de la señal. En pocas palabras, la polarización cruzada no intencionada y los altos factores de pérdida de polarización producen dos efectos adversos: introducen señales interferentes y atenúan la intensidad de la señal útil objetivo.

Por qué importan las características de polarización

La polarización sigue una regla bidireccional: cuanto más alineados y consistentes sean los tipos de polarización de dos antenas, mayor será la intensidad de la señal recibida. Por el contrario, una mala coincidencia de polarización dificulta que tanto los receptores objetivo como los receptores de interferencia capturen señales utilizables suficientes. En la mayoría de los escenarios, el canal inalámbrico altera el estado de polarización de la señal transmitida, o uno o ambos transceptores no pueden mantener una orientación fija y estacionaria de la antena.

La elección del modo de polarización generalmente está determinada por el entorno de instalación y las condiciones de propagación atmosférica. Por ejemplo, las antenas con polarización horizontal ofrecen un mejor rendimiento de señal y una polarización más estable cuando se montan cerca de techos; por el contrario, las antenas con polarización vertical instaladas contra paredes laterales muestran un comportamiento de polarización más cercano a sus especificaciones de diseño nominales.

Las antenas dipolo comunes (dipolos estándar / dipolos plegados) funcionan con polarización horizontal en instalaciones convencionales (consulte la Figura 4). Si se requiere adaptarlas a un modo de polarización específico, la antena puede girarse 90° para cambiar a polarización vertical (consulte la Figura 5).

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Figura 4: Las antenas dipolo normalmente se montan horizontalmente en mástiles para polarización horizontal

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Figura 5: Las antenas dipolo pueden instalarse verticalmente en mástiles para obtener polarización vertical cuando la aplicación lo requiera

La polarización vertical se utiliza ampliamente en walkie-talkies portátiles, como los dispositivos que llevan los equipos de rescate de emergencia. Esto se debe a que la mayoría de las antenas de radio con polarización vertical presentan patrones de radiación omnidireccionales, lo que significa que los usuarios no necesitan reajustar el acimut de la antena incluso cuando la orientación del dispositivo portátil cambia constantemente.

La mayoría deantenasque operan en la banda de Alta Frecuencia (HF) de 3–30 MHz adoptan estructuras simples de antenas de hilo largo tendidas horizontalmente entre soportes. Su gran tamaño físico está determinado por la longitud de onda correspondiente (10–100 metros), y dichas antenas están inherentemente polarizadas horizontalmente.

Curiosamente, la banda recibió el nombre de “Alta Frecuencia” hace décadas, cuando 30 MHz se consideraba un rango de alta frecuencia. Aunque la denominación parece obsoleta hoy en día, sigue siendo la designación oficial de banda definida por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) y todavía se utiliza universalmente.

La banda de Onda Media (MW) abarca de 300 kHz a 3 MHz. La polarización seleccionada por las estaciones de radiodifusión en esta banda depende de si la estación utiliza ondas terrestres para una cobertura de señal intensa a corta distancia u ondas ionosféricas para transmisión a larga distancia. En general, las antenas con polarización vertical ofrecen una propagación superior de ondas terrestres, mientras que las antenas con polarización horizontal son más adecuadas para comunicaciones mediante ondas ionosféricas.

Las comunicaciones por satélite dependen en gran medida de la polarización circular. Los satélites cambian constantemente su orientación con respecto a las estaciones terrestres y otros satélites. La eficiencia de transmisión de la señal alcanza su máximo cuando los extremos transmisor y receptor utilizan antenas con polarización circular; combinar antenas con polarización lineal con antenas con polarización circular funciona, pero introduce un factor de pérdida de polarización medible.

Las características de polarización son igualmente críticas para los sistemas 5G. Ciertas matrices de antenas de Múltiples Entradas y Múltiples Salidas (MIMO) de 5G aprovechan la tecnología de polarización para utilizar los recursos del espectro de manera más eficiente, aumentando las velocidades de transmisión. Esto se logra combinando diferentes modos de polarización de las señales con multiplexación espacial de antenas (diversidad espacial). Estos sistemas transmiten dos flujos de datos independientes simultáneamente, con cada flujo enviado a antenas separadas de polarización mutuamente ortogonal, lo que permite al receptor demodular los dos flujos por separado. Aunque factores no ideales, incluidos los trayectos de propagación, la distorsión del canal, las reflexiones y los efectos multitrayecto, introducen una ligera interferencia de copolarización, los receptores la mitigan internamente.

Conclusión

La polarización es una característica vital de las antenas, aunque a menudo se pasa por alto. La polarización lineal (incluidas las variantes horizontal y vertical), la polarización inclinada, la polarización circular y la polarización elíptica se adaptan a distintos escenarios de aplicación. La orientación relativa y el grado de adaptación de las antenas en los extremos transmisor y receptor determinan directamente el rendimiento general del enlace completo de RF. Existe una amplia variedad de antenas estándar que cubren todos los tipos de polarización y bandas de frecuencia de RF, disponibles comercialmente para proporcionar esquemas de polarización adaptados a todas las aplicaciones objetivo.

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