La polarización es una de las características básicas de las antenas. Primero debemos comprender la polarización de las ondas planas. Luego podremos analizar los principales tipos de polarización de antenas.
polarización lineal
Comenzaremos a comprender la polarización de una onda electromagnética plana.
Una onda electromagnética (EM) plana tiene varias características. La primera es que la potencia viaja en una dirección (el campo no cambia en dos direcciones ortogonales). En segundo lugar, el campo eléctrico y el campo magnético son perpendiculares y ortogonales entre sí. Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda plana. Como ejemplo, consideremos un campo eléctrico (campo E) de frecuencia única dado por la ecuación (1). El campo electromagnético viaja en la dirección +z. El campo eléctrico está dirigido en la dirección +x. El campo magnético está en la dirección +y.
En la ecuación (1), observe la notación: . Este es un vector unitario (un vector de longitud ), que indica que el punto del campo eléctrico está en la dirección x. La onda plana se ilustra en la Figura 1.
Figura 1. Representación gráfica del campo eléctrico que se desplaza en la dirección +z.
La polarización es la forma de traza y propagación (contorno) de un campo eléctrico. Como ejemplo, consideremos la ecuación del campo eléctrico de onda plana (1). Observaremos la posición donde el campo eléctrico es (X,Y,Z) = (0,0,0) en función del tiempo. La amplitud de este campo se representa en la Figura 2, en varios instantes de tiempo. El campo oscila a la frecuencia "F".
Figura 2. Observe el campo eléctrico (X, Y, Z) = (0,0,0) en diferentes momentos.
El campo eléctrico se observa en el origen, oscilando en amplitud. Siempre se alinea con el eje x. Dado que el campo eléctrico se mantiene a lo largo de una sola línea, se dice que está polarizado linealmente. Además, si el eje x es paralelo al suelo, también se describe como polarizado horizontalmente. Si el campo está orientado a lo largo del eje y, se dice que la onda está polarizada verticalmente.
Las ondas polarizadas linealmente no necesitan estar dirigidas a lo largo de un eje horizontal o vertical. Por ejemplo, una onda de campo eléctrico con una restricción alineada como se muestra en la Figura 3 también estaría polarizada linealmente.
Imagen 3. Amplitud del campo eléctrico de una onda polarizada linealmente cuya trayectoria es un ángulo.
El campo eléctrico en la Figura 3 se puede describir mediante la ecuación (2). Ahora bien, el campo eléctrico tiene una componente x y una componente y. Ambas componentes tienen la misma magnitud.
Un aspecto a destacar de la ecuación (2) es la componente xy y los campos electrónicos en la segunda etapa. Esto significa que ambas componentes tienen la misma amplitud en todo momento.
polarización circular
Ahora supongamos que el campo eléctrico de una onda plana viene dado por la ecuación (3):
En este caso, los elementos X e Y están desfasados 90 grados. Si se observa el campo como (X, Y, Z) = (0,0,0) nuevamente como antes, la curva del campo eléctrico en función del tiempo aparecerá como se muestra a continuación en la Figura 4.
Figura 4. Intensidad del campo eléctrico (X, Y, Z) = (0,0,0) Dominio EQ. (3).
El campo eléctrico de la Figura 4 gira en círculo. Este tipo de campo se describe como una onda polarizada circularmente. Para que exista polarización circular, deben cumplirse los siguientes criterios:
- Estándar para polarización circular
- El campo eléctrico debe tener dos componentes ortogonales (perpendiculares).
- Las componentes ortogonales del campo eléctrico deben tener amplitudes iguales.
- Los componentes en cuadratura deben estar desfasados 90 grados.
Si se recorre la pantalla de la Figura 4 de la onda, se dice que la rotación del campo es en sentido antihorario y de polarización circular derecha (RHCP). Si el campo gira en sentido horario, tendrá polarización circular izquierda (LHCP).
Polarización elíptica
Si el campo eléctrico tiene dos componentes perpendiculares, desfasadas 90 grados pero de igual magnitud, el campo estará polarizado elípticamente. Considerando el campo eléctrico de una onda plana que se propaga en la dirección +z, descrita por la ecuación (4):
El lugar geométrico del punto en el que se ubicará la punta del vector del campo eléctrico se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Campo eléctrico de onda de polarización elíptica instantánea. (4).
El campo de la Figura 5, que se propaga en sentido antihorario, sería elíptico dextrógiro si saliera de la pantalla. Si el vector del campo eléctrico gira en sentido contrario, el campo tendrá polarización elíptica levógira.
Además, la polarización elíptica se refiere a su excentricidad. La relación de la excentricidad a la amplitud de los ejes mayor y menor. Por ejemplo, la excentricidad de onda de la ecuación (4) es 1/0.3 = 3.33. Las ondas polarizadas elípticamente se describen además por la dirección del eje mayor. La ecuación de onda (4) tiene un eje que consiste principalmente en el eje x. Nótese que el eje mayor puede estar en cualquier ángulo plano. El ángulo no tiene que coincidir con el eje X, Y o Z. Finalmente, es importante notar que tanto la polarización circular como la lineal son casos especiales de polarización elíptica. Una onda polarizada elípticamente con excentricidad 1.0 es una onda polarizada circularmente. Ondas polarizadas elípticamente con excentricidad infinita. Ondas polarizadas linealmente.
Polarización de la antena
Ahora que conocemos los campos electromagnéticos de onda plana polarizada, la polarización de una antena se define de forma sencilla.
Polarización de la antena: La evaluación del campo lejano de una antena se basa en la polarización del campo radiado resultante. Por lo tanto, las antenas suelen clasificarse como "polarizadas linealmente" o "polarizadas circularmente a la derecha".
Este sencillo concepto es fundamental para las comunicaciones por antena. En primer lugar, una antena de polarización horizontal no se comunicará con una de polarización vertical. Debido al teorema de reciprocidad, la antena transmite y recibe exactamente de la misma manera. Por lo tanto, las antenas de polarización vertical transmiten y reciben campos polarizados verticalmente. En consecuencia, si se intenta transmitir la señal de una antena de polarización vertical a una de polarización horizontal, no habrá recepción.
En el caso general, para dos antenas de polarización lineal rotadas una respecto a la otra por un ángulo ( ), la pérdida de potencia debida a este desajuste de polarización se describirá mediante el factor de pérdida de polarización (PLF):
Por lo tanto, si dos antenas tienen la misma polarización, el ángulo entre sus campos electrónicos radiantes es cero y no hay pérdida de potencia debido a la desadaptación de polarización. Si una antena está polarizada verticalmente y la otra horizontalmente, el ángulo es de 90 grados y no se transferirá potencia.
NOTA: Mover el teléfono por encima de la cabeza en diferentes ángulos explica por qué a veces se puede mejorar la recepción. Las antenas de los teléfonos móviles suelen tener polarización lineal, por lo que girar el teléfono a menudo permite igualar su polarización, mejorando así la recepción.
La polarización circular es una característica deseable en muchas antenas. Ambas antenas tienen polarización circular y no sufren pérdida de señal por desajuste de polarización. Las antenas utilizadas en los sistemas GPS tienen polarización circular derecha.
Supongamos ahora que una antena de polarización lineal recibe ondas de polarización circular. De forma equivalente, supongamos que una antena de polarización circular intenta recibir ondas de polarización lineal. ¿Cuál es el factor de pérdida de polarización resultante?
Recordemos que la polarización circular consiste en realidad en dos ondas linealmente polarizadas ortogonales, desfasadas 90 grados. Por lo tanto, una antena de polarización lineal (LP) solo recibirá la componente de fase de la onda de polarización circular (CP). En consecuencia, la antena LP tendrá una pérdida por desajuste de polarización de 0,5 (-3 dB). Esto se cumple independientemente del ángulo de rotación de la antena LP. Por lo tanto:
El factor de pérdida por polarización a veces se denomina eficiencia de polarización, factor de desajuste de antena o factor de recepción de antena. Todos estos nombres se refieren al mismo concepto.
Fecha de publicación: 22 de diciembre de 2023
