Engenheiros eletrônicos sabem que as antenas enviam e recebem sinais na forma de ondas de energia eletromagnética (EM) descritas pelas equações de Maxwell. Como em muitos outros tópicos, essas equações, bem como as propriedades de propagação do eletromagnetismo, podem ser estudadas em diferentes níveis, desde termos relativamente qualitativos até equações complexas.
A propagação da energia eletromagnética envolve muitos aspectos, sendo a polarização um deles, que pode ter diferentes graus de impacto ou relevância em aplicações e projetos de antenas. Os princípios básicos da polarização se aplicam a toda radiação eletromagnética, incluindo radiofrequência/sem fio e energia óptica, e são frequentemente utilizados em aplicações ópticas.
O que é polarização de antena?
Antes de entendermos a polarização, precisamos primeiro compreender os princípios básicos das ondas eletromagnéticas. Essas ondas são compostas por campos elétricos (campos E) e campos magnéticos (campos H) e se propagam em uma única direção. Os campos E e H são perpendiculares entre si e à direção de propagação da onda plana.
A polarização refere-se ao plano do campo elétrico da perspectiva do transmissor de sinal: para polarização horizontal, o campo elétrico se moverá lateralmente no plano horizontal, enquanto para polarização vertical, o campo elétrico oscilará para cima e para baixo no plano vertical (figura 1).
Figura 1: As ondas de energia eletromagnética consistem em componentes de campo E e H mutuamente perpendiculares.
Polarização linear e polarização circular
Os modos de polarização incluem o seguinte:
Na polarização linear básica, as duas polarizações possíveis são ortogonais (perpendiculares) entre si (Figura 2). Em teoria, uma antena receptora com polarização horizontal não "enxergará" um sinal de uma antena com polarização vertical e vice-versa, mesmo que ambas operem na mesma frequência. Quanto melhor o alinhamento entre elas, maior a captação do sinal e maior a transferência de energia quando as polarizações coincidem.
Figura 2: A polarização linear oferece duas opções de polarização em ângulos retos entre si.
A polarização oblíqua da antena é um tipo de polarização linear. Assim como a polarização horizontal e vertical básicas, essa polarização só faz sentido em um ambiente terrestre. A polarização oblíqua forma um ângulo de ±45 graus com o plano de referência horizontal. Embora seja, na verdade, apenas outra forma de polarização linear, o termo "linear" geralmente se refere apenas a antenas polarizadas horizontalmente ou verticalmente.
Apesar de algumas perdas, os sinais enviados (ou recebidos) por uma antena diagonal são viáveis apenas com antenas polarizadas horizontalmente ou verticalmente. Antenas polarizadas obliquamente são úteis quando a polarização de uma ou ambas as antenas é desconhecida ou muda durante o uso.
A polarização circular (PC) é mais complexa do que a polarização linear. Nesse modo, a polarização representada pelo vetor do campo elétrico gira à medida que o sinal se propaga. Quando girada para a direita (olhando do transmissor), a polarização circular é chamada de polarização circular dextrógira (PCD); quando girada para a esquerda, polarização circular levógira (PCL) (Figura 3).
Figura 3: Na polarização circular, o vetor do campo elétrico (E) de uma onda eletromagnética gira; essa rotação pode ser dextrógira ou levógira.
Um sinal de polarização circular (CP) consiste em duas ondas ortogonais que estão em oposição de fase. Três condições são necessárias para gerar um sinal de CP: o campo elétrico deve consistir em duas componentes ortogonais; as duas componentes devem estar defasadas em 90 graus e ter a mesma amplitude. Uma maneira simples de gerar um sinal de CP é usar uma antena helicoidal.
A polarização elíptica (PE) é um tipo de polarização circular (PC). Ondas polarizadas elipticamente são o ganho produzido por duas ondas linearmente polarizadas, como as ondas PC. Quando duas ondas linearmente polarizadas mutuamente perpendiculares com amplitudes desiguais são combinadas, uma onda polarizada elipticamente é produzida.
A diferença de polarização entre antenas é descrita pelo fator de perda de polarização (PLF). Este parâmetro é expresso em decibéis (dB) e é uma função da diferença no ângulo de polarização entre as antenas transmissora e receptora. Teoricamente, o PLF pode variar de 0 dB (sem perda) para uma antena perfeitamente alinhada até infinito dB (perda infinita) para uma antena perfeitamente ortogonal.
Na realidade, porém, o alinhamento (ou desalinhamento) da polarização não é perfeito, pois a posição mecânica da antena, o comportamento do usuário, a distorção do canal, as reflexões por múltiplos caminhos e outros fenômenos podem causar alguma distorção angular no campo eletromagnético transmitido. Inicialmente, haverá um "vazamento" de polarização cruzada de 10 a 30 dB ou mais em relação à polarização ortogonal, o que, em alguns casos, pode ser suficiente para interferir na recuperação do sinal desejado.
Em contraste, o PLF real para duas antenas alinhadas com polarização ideal pode ser de 10 dB, 20 dB ou mais, dependendo das circunstâncias, e pode dificultar a recuperação do sinal. Em outras palavras, a polarização cruzada não intencional e o PLF podem ter efeitos tanto negativos quanto negativos, interferindo no sinal desejado ou reduzindo sua intensidade.
Por que se preocupar com a polarização?
A polarização funciona de duas maneiras: quanto mais alinhadas estiverem duas antenas e quanto mais polarizadas estiverem, melhor será a intensidade do sinal recebido. Por outro lado, um alinhamento de polarização ruim dificulta a captação, pelos receptores (intencionalmente ou não), de uma quantidade suficiente do sinal de interesse. Em muitos casos, o canal distorce a polarização transmitida, ou uma ou ambas as antenas não estão em uma direção estática fixa.
A escolha da polarização a ser utilizada geralmente é determinada pelas condições de instalação ou atmosféricas. Por exemplo, uma antena com polarização horizontal terá melhor desempenho e manterá sua polarização quando instalada próxima ao teto; inversamente, uma antena com polarização vertical terá melhor desempenho e manterá sua polarização quando instalada próxima a uma parede lateral.
A antena dipolo amplamente utilizada (simples ou dobrada) é polarizada horizontalmente em sua orientação de montagem "normal" (Figura 4) e é frequentemente girada 90 graus para assumir polarização vertical quando necessário ou para suportar um modo de polarização preferido (Figura 5).
Figura 4: Uma antena dipolo é geralmente montada horizontalmente em seu mastro para fornecer polarização horizontal.
Figura 5: Para aplicações que requerem polarização vertical, a antena dipolo pode ser montada de forma que a antena capte o sinal.
A polarização vertical é comumente usada em rádios móveis portáteis, como os utilizados por equipes de resposta a emergências, porque muitos projetos de antenas de rádio com polarização vertical também oferecem um padrão de radiação omnidirecional. Portanto, essas antenas não precisam ser reorientadas mesmo que a direção do rádio e da antena mude.
As antenas de alta frequência (HF) de 3 a 30 MHz são tipicamente construídas como fios longos e simples, dispostos horizontalmente entre suportes. Seu comprimento é determinado pelo comprimento de onda (10 a 100 m). Esse tipo de antena possui polarização horizontal natural.
Vale ressaltar que a referência a essa faixa como "alta frequência" começou há décadas, quando 30 MHz era de fato considerada alta frequência. Embora essa descrição pareça estar desatualizada, trata-se de uma designação oficial da União Internacional de Telecomunicações e ainda é amplamente utilizada.
A polarização preferencial pode ser determinada de duas maneiras: utilizando ondas terrestres para sinalização de curto alcance mais forte por equipamentos de radiodifusão na faixa de ondas médias (MW) de 300 kHz a 3 MHz, ou utilizando ondas ionosféricas para distâncias maiores através do enlace ionosférico. De modo geral, antenas com polarização vertical apresentam melhor propagação por ondas terrestres, enquanto antenas com polarização horizontal apresentam melhor desempenho em ondas ionosféricas.
A polarização circular é amplamente utilizada em satélites porque a orientação do satélite em relação às estações terrestres e a outros satélites está em constante mudança. A eficiência entre as antenas de transmissão e recepção é máxima quando ambas são polarizadas circularmente, mas antenas com polarização linear podem ser usadas com antenas de polarização circular, embora haja um fator de perda de polarização.
A polarização também é importante para os sistemas 5G. Algumas matrizes de antenas MIMO (múltiplas entradas/múltiplas saídas) 5G alcançam maior taxa de transferência usando a polarização para utilizar o espectro disponível de forma mais eficiente. Isso é obtido por meio de uma combinação de diferentes polarizações de sinal e multiplexação espacial das antenas (diversidade espacial).
O sistema pode transmitir dois fluxos de dados porque estes são conectados por antenas independentes com polarização ortogonal e podem ser recuperados independentemente. Mesmo que exista alguma polarização cruzada devido a distorções de percurso e canal, reflexões, multicaminho e outras imperfeições, o receptor emprega algoritmos sofisticados para recuperar cada sinal original, resultando em baixas taxas de erro de bit (BER) e, consequentemente, em uma melhor utilização do espectro.
para concluir
A polarização é uma propriedade importante da antena que muitas vezes é negligenciada. Polarização linear (incluindo horizontal e vertical), polarização oblíqua, polarização circular e polarização elíptica são usadas para diferentes aplicações. A gama de desempenho de radiofrequência (RF) que uma antena pode alcançar depende de sua orientação e alinhamento relativos. Antenas padrão possuem diferentes polarizações e são adequadas para diferentes partes do espectro, fornecendo a polarização preferida para a aplicação desejada.
Produtos recomendados:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parâmetros | Típico | Unidades |
| Faixa de frequência | 20-30 | GHz |
| Ganho | 15 Tipo. | dBi |
| VSWR | 1.3 Típ. | |
| Polarização | Dual Linear | |
| Isolamento de Pol. Cruzada | 60 Typ. | dB |
| Isolamento de porta | 70 Typ. | dB |
| Conector | SMA-Female | |
| Material | Al | |
| Acabamento | Pintar | |
| Tamanho(C*L*A) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Peso | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Item | Especificação | Unidade |
| Faixa de frequência | 1-18 | GHz |
| Ganho | 10 Typ. | dBi |
| VSWR | 1,5 típico. | |
| Polarização | Linear | |
| Cross Po. Isolamento | 30 Typ. | dB |
| Conector | AME - Feminino | |
| Acabamento | Pnão | |
| Material | Al | |
| Tamanho(C*L*A) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Peso | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parâmetros | Típico | Unidades |
| Faixa de frequência | 2-18 | GHz |
| Ganho | 15 Tipo. | dBi |
| VSWR | 1,5 típico. |
|
| Polarização | Dual Linear |
|
| Isolamento de Pol. Cruzada | 40 | dB |
| Isolamento de porta | 40 | dB |
| Conector | SMA-F |
|
| Tratamento de superfície | Pnão |
|
| Tamanho(C*L*A) | 276*147*147(±5) | mm |
| Peso | 0,945 | kg |
| Material | Al |
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| Temperatura de operação | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parâmetros | Típico | Unidades |
| Faixa de frequência | 93-95 | GHz |
| Ganho | 22 Tipo. | dBi |
| VSWR | 1.3 Típ. |
|
| Polarização | Dual Linear |
|
| Isolamento de Pol. Cruzada | 60 Typ. | dB |
| Isolamento de porta | 67 Tipo. | dB |
| Conector | WR10 |
|
| Material | Cu |
|
| Acabamento | Dourado |
|
| Tamanho(C*L*A) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Peso | 0,015 | kg |
Data da publicação: 11 de abril de 2024
