O que é a polarização da antena e porque é importante

A polarização é um fenómeno importante que é útil em diferentes análises de ondas electromagnéticas (EM). A compreensão da polarização desempenha um papel importante na transmissão máxima de sinais. A transmissão máxima de sinal é o evento em que a fidelidade do sinal é preservada durante a transmissão. Para alcançar a transmissão máxima do sinal, os elementos da antena do transmissor e do recetor devem manter a mesma polarização da antena. No caso de não haver correspondência na polarização, a intensidade do sinal será reduzida.

Neste artigo, discutiremos a importância de entender a polarização da antena. Isso inclui discutir uma breve história da polarização, tipos de polarização de antenas e fatores que afetam a polarização. Além disso, exploraremos algumas das aplicações da polarização de antenas e como elas são utilizadas em diferentes domínios. Este artigo pode servir como um guia abrangente, breve e conciso para a polarização de antenas.

Noções básicas de polarização de antenas

Uma onda EM é constituída por dois campos perpendiculares. Estes campos são:

• Campo elétrico (campo E)
• Campo magnético (campo H)

Estes dois campos são perpendiculares entre si e à direção de propagação da onda. A polarização da antena é definida com base na orientação do campo elétrico. Assim, podemos definir a polarização da antena como a orientação do campo E da onda EM irradiada pela antena do transmissor. Esse é um conceito importante, pois o campo E é importante quando consideramos a intensidade do sinal.
No que diz respeito à história da polarização de antenas, James Maxwell é um dos cientistas mais influentes, que formulou as equações de Maxwell para descrever a propagação de ondas EM e a interação entre o campo E e o campo H. No entanto, foi Heinrich Hertz que demonstrou experimentalmente a polarização utilizando uma antena dipolo no final da década de 1880.

É necessário ter uma breve compreensão da definição de polarização de antena e da história da polarização de antena para entender a relação fundamental entre a polarização de antena e as ondas EM. Fundamentalmente, a polarização da antena pode afetar as ondas EM,

• Intensidade do sinal na extremidade recetora
• Nível de interferência do sinal devido a interferência multipercurso e incompatibilidade de polarização

Para além destas duas ideias fundamentais, a polarização também pode limitar bastante o design da antena. Por conseguinte, é necessário ter uma compreensão correta da polarização da antena antes de a conceber.

Tipos de polarização de antenas

Existem vários tipos de modos de polarização de antenas em função de diferentes circunstâncias que dependem das condições ambientais e da conceção das antenas. Além disso, dependendo das vantagens e desvantagens de cada tipo de polarização da antena, estes são utilizados em diferentes formas de meios de comunicação sem fios.

Existem três tipos principais de polarização de antenas, nomeadamente,

1. Polarização linear
2. Polarização circular
3. Polarização elíptica

Polarização horizontal e vertical

Polarização oblíqua dupla

Polarização linear

A polarização linear é o tipo mais freqüente de polarização que podemos ver em aplicações práticas. Na polarização linear, toda a radiação que está a ser transmitida será confinada a um plano. Simplesmente, aqui o campo E oscilará apenas numa única direção. Dependendo da direção da oscilação do campo E, existem três subcategorias de polarização linear. São elas:

• Polarização horizontal - Aqui o campo E oscila de um lado para o outro e pode ser captado por elementos horizontais de uma antena.
• Polarização vertical - Aqui o campo E oscila para cima e para baixo e pode ser captado por elementos verticais. Uma vantagem significativa da utilização da polarização vertical é o facto de irradiar igualmente em torno do plano horizontal.
• Polarização inclinada - Aqui o campo E oscila num ângulo em relação a um plano horizontal ou vertical. A polarização inclinada pode ser captada por elementos horizontais e verticais de uma antena.

Polarização circular

Aqui, o campo E irá rodar enquanto o sinal se propaga. Esta é uma forma complexa de polarização quando comparada à polarização linear, que é amplamente utilizada em aplicações de comunicação via satélite. Além disso, para que a polarização circular ocorra, é necessário que três condições sejam satisfeitas. São elas:

• O campo E deve ter duas componentes vectoriais ortogonais
• Estes componentes vectoriais devem estar 90 graus fora de fase
• Estes componentes vectoriais devem ser iguais em magnitude

Dependendo da direção de rotação do campo E, existem dois tipos de polarização circular, nomeadamente:

• Polarização circular direita (RHCP)
• Polarização circular esquerda (LHCP)

Polarização elíptica

A polarização elíptica é uma mistura de polarização linear e circular. Esta mistura é devida à incompatibilidade da magnitude dos componentes do vetor ortogonal do campo E que descrevemos anteriormente na polarização circular. Tal como a polarização circular, a polarização elíptica é amplamente utilizada em comunicações por satélite, bem como em sistemas de radar.

Factores que influenciam a polarização da antena

Vários factores podem influenciar a polarização da antena, uma vez que as ondas EM se propagam livremente no espaço. No entanto, podemos restringir alguns fatores-chave que podem ter uma influência substancial na polarização da antena. Esses fatores são:

• Factores ambientais: Neste caso, o terreno é uma preocupação importante. Dependendo da natureza do terreno, ou seja, urbano, rural, etc., o grau de polarização é afetado devido à reflexão, difração e dispersão do sinal. Além disso, os obstáculos presentes no ambiente podem interagir com o sinal através de reflexão e absorção.
• Frequência: A frequência de transmissão determinará o grau de polarização, sendo que as frequências mais elevadas são mais susceptíveis à polarização.
• Desenho da antena: O tamanho, a forma, a orientação e os diferentes elementos da antena também podem afetar a polarização, uma vez que determinam a forma como o sinal é recebido e transmitido.
• Considerações sobre a propagação do sinal: Outros factores, como as condições atmosféricas e as distorções do canal, também podem afetar a polarização.

Aplicações da polarização de antenas

Tendo uma ideia abrangente sobre a polarização de antenas, vamos agora investigar algumas das aplicações amplamente utilizadas da polarização de antenas. Quando se trata de sistemas de comunicação sem fios, a polarização é utilizada para reduzir as interferências que podem ocorrer durante o progresso da transmissão. Além disso, a obtenção de uma polarização desejável aumentará a clareza do sinal e a força do sinal. Por último, nos sistemas de comunicação sem fios, como as redes celulares, a polarização é utilizada para aumentar a capacidade do canal através da obtenção de diferentes tipos de polarização no mesmo canal. Além disso, nos sistemas RFID, a polarização pode ser um fator influente na determinação do alcance de leitura dos sistemas RFID devido a interferências no ambiente.

Além disso, a polarização circular e a polarização elíptica são amplamente utilizadas em sistemas de satélite e de radar devido ao elevado grau de interferência nestes sistemas. No caso das comunicações por satélite, a introdução da polarização circular pode compensar eficazmente a distorção do sinal que pode ocorrer devido à rotação dos satélites. Além disso, estes dois tipos de polarização podem também ser utilizados para estudar o movimento de grandes corpos celestes em radioastronomia.

Diversidade de polarização

A diversidade de polarização é um caso especial de polarização em que várias versões de um sinal são transmitidas e recebidas através da utilização de vários tipos de polarização. Isso é útil para atenuar a incompatibilidade de polarização, pois o sinal será recebido em diferentes tipos de polarizações. Além disso, também reduz a degradação do sinal devido à interferência multipercurso.

Esta técnica é útil em Sistemas MIMO uma vez que reduzirá o tamanho das estações terminais MIMO e o número de Antenas MIMO. Esta vantagem é conseguida através da utilização de vários tipos de sinais polarizados e de baixas correlações entre eles. No entanto, apesar da vantagem da diversidade de polarização, a obtenção dessa funcionalidade aumentará o custo do sistema global.

Considerações práticas sobre a polarização da antena

Finalmente, vamos entender algumas considerações práticas importantes que precisamos considerar na utilização da polarização da antena. Os principais factores podem ser resumidos da seguinte forma:

• Alinhamento e orientação corretos: Este é um fator crucial a ter em conta, pois afectará a clareza e a intensidade do sinal. Além disso, há que ter muito cuidado quando se utilizam ligações de comunicação direcionais.
• Mitigação do desfasamento de polarização: A incompatibilidade de polarização pode eventualmente causar falhas na receção do sinal correto. Por isso, podemos utilizar técnicas como a diversidade de polarização e a polarização adaptativa.
• Critérios de seleção da antena: Por exemplo, a polarização vertical é preferida em rádios móveis portáteis, pelo que a antena dipolo é montada verticalmente. Além disso, as antenas de fio podem ser utilizadas na gama de alta frequência e, para sinais polarizados de frequência mais elevada, são utilizados métodos de polarização linear.

Tendências e desenvolvimentos futuros

Com os avanços nas comunicações 5G e 6G, podemos observar um aumento da investigação em técnicas de polarização adaptativa e a utilização de técnicas de aprendizagem automática em comunicações sem fios. Além disso, a investigação em superfícies reflectoras inteligentes para antenas adaptativas é outra área de investigação emergente na indústria. Estas tendências de investigação podem contribuir para os sistemas de comunicação emergentes que facilitam as aplicações IoT (Internet das coisas), as comunicações entre drones e as redes veiculares.

Conclusão

Em conclusão, podemos ver que a polarização é um conceito importante que precisamos entender para lidar com aplicações que envolvem antenas e sistemas de comunicação. Neste artigo, discutimos a importância da polarização de antenas, os diferentes tipos e suas aplicações. Este pequeno artigo pode ser usado como referência para entender o conceito de polarização.