Re: ARLA/CLUSTER: Vantagens e características das antenas circularmente polarizadas.

Quinta-Feira, 10 de Setembro de 2009 - 23:24:08 WEST

Belo artigo, sim senhor !

Bem explicado e com óptimos gráficos, parabéns !

73 de CT1PT
Carlos Pinheiro

2009/9/10 João Gonçalves Costa <joao.a.costa  ctt.pt>

>  *POLARIZAÇÃO DE ONDAS*
>
> *Por PY4ZBZ   *06-09-2005    atualizado em 21-09-2008
>
> Figuras animadas de András Szilágyi<http://www.enzim.hu/~szia/emanim/emanim.htm> e
> Takuichi Hirano<http://www-antenna.pe.titech.ac.jp/~hira/hobby/edu/em/em.html>©
>
>
>
> Por definição, a *polarização* de uma *onda eletromagnética* é o plano no
> qual se encontra a componente *ELÉTRICA* desta onda.
>
> Toda onda eletromagnética é composta de dois campos, o *elétrico* e o *
> magnético*, sempre situados em *planos ortogonais* (planos fisicamente a
> 90 graus), e *variando em fase* (0 graus). Estes campos se propagam em
> qualquer material isolante (dielétrico) com uma velocidade de propagação,
> cujo vetor está a 90 graus dos vetores campo elétrico e magnético. No vácuo,
> esta velocidade é a da luz.
>
> Um dipolo posicionado *verticalmente*, alimentado por um gerador de
> freqüência F, gera portanto uma onda eletromagnética polarizada *
> verticalmente*, pois o componente *campo elétrico* está no plano *vertical
> * (e conseqüentemente, o componente *campo magnético* está no plano *
> horizontal*). Veja a figura seguinte, onde aparecem os três vetores *E, B
> e V*, com *90 graus físicos* entre qualquer um deles, com *E e B* variando
> em *fase* ou com zero graus de defasamento elétrico, característica básica
> da onda eletromagnética:
>
> Como esta onda está sempre situada no mesmo plano, é chamada de onda com *polarização
> linear.*
>
> As figuras animadas seguintes ilustram uma *onda com polarização linear
> vertical, *mostrando apenas o vetor do *campo elétrico* (o magnético está
> sempre presente e a 90 graus físicos):
>
>
>
> As figuras animadas seguintes ilustram uma *onda com polarização linear
> horizontal, *mostrando apenas o vetor do *campo elétrico* (o magnético
> está sempre presente e a 90 graus físicos):
>
>
>
> A combinação de duas ondas linearmente polarizadas, uma vertical e outra
> horizontal, e eletricamente em *fase*, resulta em uma onda *linearmente*polarizada
> *inclinada*, como pode ser visto nas figuras animadas seguintes:
>
>
>
> A combinação de *duas ondas linearmente polarizadas*, uma *vertical* e
> outra *horizontal*, de *mesma amplitude* e *eletricamente defasadas de 90
> graus*, resulta em uma onda *circularmente polarizada*, (da mesma forma
> que uma figura de Lissajous) como pode ser visto nas figuras animadas
> seguintes:
>
>
>
> As figuras seguintes mostram também como é obtida uma onda de polarização
> circular:
>
>  O exemplo acima é de uma onda *LHCP , *veja definição IEEE<http://www.ara-inc.com/PDF-RF/015-standard.pdf>a seguir:
>
>
>
> *Definição de RHCP e LHCP (norma da IEEE<http://www.ara-inc.com/PDF-RF/015-standard.pdf>
> )*
>
> A figura seguinte mostra dois dipolos cruzados *A* e *B*, sendo *B*alimentado com 90 graus de defasamento (atrasado) em relação ao dipolo
> *A*, e alimentados com as polaridades instantâneas indicadas (*+*). No
> pico positivo da tensão senoidal aplicada ao dipolo *A*, este gera o vetor
> *1*, que será o primeiro a deixar a antena e a atravessar o plano. Um
> quarto de período mais tarde, é a vez do dipolo *B* receber o pico
> positivo da senóide, pois está atrasado 90 graus, e gerar então o vetor *2
> *, que será o segundo a atravessar o plano imaginário, e assim por diante,
> quando chegar o pico negativo no dipolo *A* gerando o vetor *3*, e depois
> o pico negativo da senóide no dipolo *B* gerando o vetor *4* :
>
> Na figura anterior, temos uma onda com *polarização circular à direita *(em
> inglês: *RHCP* Right-Hand Circular Polarization), porque o *vetor gira no
> sentido anti-horário* (regra da mão direita) *ao* *atravessar* *um plano
> imaginário e perpendicular ao eixo de propagação, e visto pelo lado do plano
> por onde a onda* *sai* deste plano (os planos quadrados nas figuras
> animadas anteriores). Evidentemente, visto pelo lado por onde a mesma onda
> *entra* no plano, a rotação fica *invertida: *no sentido *horário *! como
> acontece quando se *olha na direção de propagação por trás da fonte*(IEEE).
>
> *ATENÇÃO*: Por isso há bastante confusão sobre o assunto... e também
> porque em *óptica clássica <http://en.wikipedia.org/wiki/Polarization>, a
> definição para luz com polarização circular é invertida em relação a
> definição da IEEE para antenas e ondas de radio*, que é adotada pela
> AMSAT, e outras entidades. A luz do sol por exemplo, é polarizada
> randomicamente em todos os planos, por isso é chamada de não polarizada,
> pois não é nem linear e nem circular. Filtros ópticos polarizadores permitem
> separar determinados planos de polarização da luz natural.
>
>  Trocando a fase para* +90 graus*, ou invertendo a polaridade (fase) de
> uma das ondas, teremos uma onda com *polarização circular a esquerda LHCP*(Left-Hand circular polarization). O vetor campo elétrico (e magnético
> também !) de uma onda circularmente polarizada, gira com uma velocidade de
> rotação igual a freqüência da onda, pois faz uma volta completa por ciclo !.
> Apenas para entender melhor, poderíamos obter uma onda circularmente
> polarizada, girando um dipolo com uma velocidade igual a freqüência do
> sinal...ou seja, em 100 MHz, girando o dipolo 100.000.000 de vezes por
> segundo !
>
>
>
> Veja mais um exemplo de RHCP:
>
> Vermelho: campo elétrico, verde: campo magnético.  Direção de propagação:
> de baixo para cima.
>
>       *a* *b* *a+b      (vista saindo do plano)* abs(a)=1, arg(a)=0° abs(b)=1,
> arg(b)=-90° *RHCP*
>
> *a *e *b* : as duas ondas linearmente polarizadas e defasadas 90 graus; *
> a+b* : a onda RHCP resultante.
>
> O nome RH e LH (Right-Hand, mão direita e Left-Hand, mão esquerda) é
> derivado da analogia seguinte:
>
> Se a rotação for contraria a da figura acima, aplica-se a regra da mão
> direita: RHCP.
>
> A figura seguinte mostra o resultado da combinação de duas ondas
> linearmente polarizadas e ortogonais, com diferentes relações de *
> amplitudes* e *defasamentos*, mostrando que a resultante pode ser
> polarização *linear V / H / inclinada, elíptica ou circular. *Detalhe *importante:
> *nesta figura a onda é vista se *aproximando *do observador (*ou saindo do
> plano*), **portanto a onda *RHCP *agora roda no sentido *anti-horário ! *Cuidado,
> tudo é *relativo:*
>
>
>
> A figura seguinte mostra a analogia entre onda circularmente polarizada
> RHCP e parafusos com rosca à direita, e mostra porque as duas antenas TX e
> RX de um enlace devem ter polarizações *idênticas, *ou *co-polarizadas*(veja a nota na definição IEEE acima):
>
> Para quem gosta de matemática, observe a posição do *Pi/2* (=*90* graus),
> que tanto pode afetar a *fase* de alimentação (*Omega t*) como o *deslocamento
> axial* (*k z*), donde os dois métodos explicados mais adiante:
>
> *Vantagens da polarização circular**:*
>
> Uma vantagem da polarização circular é não ser afetada pela rotação de
> Faraday<http://www.daviddarling.info/encyclopedia/F/Faraday_rotation.html>em ondas que atravessam a atmosfera e ou a ionosfera, principalmente em
> comunicações via satélite. Outra vantagem é que não é necessário ajustar a
> polarização das antenas (posição em torno do eixo de propagação) como
> acontece com antenas linearmente polarizadas.
>
> *Características da polarização circular**:*
>
> Uma característica da polarização circular é que *muda o sentido de
> rotação* quando *refletida* por um plano condutor, como por exemplo,
> refletores planos ou parabólicos, reflexão lunar, etc... Na onda linearmente
> polarizada, muda somente a fase (inversão ou 180 graus), quando refletida.
> Outra característica da polarização circular é a *razão axial*, que é a
> relação das amplitudes dos vetores no plano *X* pelo plano *Y*. Num
> circulo perfeito, esta relação é *1*, ou *0 dB*. Relação axial diferente
> de 0 dB significa que a polarização não é perfeitamente circular, mas
> elíptica.
>
>
>
>
>
> *Antenas circularmente polarizadas.*
>
>
>
> *Método 1* - Do exposto acima, pode se deduzir que para obter antenas com
> polarização circular, a partir de antenas linearmente polarizadas (dipolos
> ou Yagis, etc..), basta colocar duas destas antenas *cruzadas a 90 graus*,
> sem deslocamento longitudinal, e *alimentadas* com *90 graus de
> defasamento* elétrico (com um cabo com um quarto de onda<http://www.qsl.net/py4zbz/antenas/comcabo.htm>a mais no seu comprimento em uma das antenas por exemplo):
>
>
>
>  *Método 2 *- Outra forma de obter este defasamento é alimentar os *dois
> dipolos em fase*, porém *deslocando* um dos dipolos de *um quarto de onda*do outro, longitudinalmente no sentido da propagação, como na foto abaixo:
>
> Obs.: os dois métodos anteriores só geram uma onda com polarização
> circular  na direção de maior ganho, perpendicular ao plano dos dipolos.
> Fora desta direção, a onda é elíptica, e a 90 graus desta direção, a onda é
> linearmente polarizada.
>
> *Método 3* - Uma outra forma é usar antenas que já produzem *diretamente*
> *a polarização circular*, como por exemplo as antenas *helicoidais*(longitudinais ou axiais). De acordo com a IEEE, o sentido de rotação da
> onda circular gerada por uma helicoidal é o mesmo da rosca de um parafuso
> gigante na qual a helicóide se encaixaria. Na foto é RHCP, pois tem
> "rosca" idêntica a de um parafuso com rosca direita:
>
>
>
> *Importante*: antenas como a loop circular, Yagi com aros circulares,
> magnetic loop, cúbica de quadro, delta loop, etc..., geram todas ondas *
> linearmente* polarizadas ! Somente uma helicoidal no modo axial ou
> longitudinal, ou a correta associação de duas antenas lineares quaisquer,
> permite obter polarização circular. E duas helicoidais, uma RHCP e a outra
> LHCP, alimentadas em fase e posicionadas lado lado e no mesmo sentido, geram
> uma onda com polarização linear !.
>
>
>
>
>
> *Rejeição da polarização cruzada "X-pol rejection" ou "XPD"*
>
>
>
> Uma *característica de qualquer antena* (além de ganho, relação
> frente/costas, impedância, banda passante, etc...), é a sua capacidade (ou
> não) de *rejeição da polarização cruzada "X-pol ou cross-pol rejection *ou
> *discrimination XPD" * em dB. Ou seja, é a capacidade da antena em
> rejeitar a polarização ortogonal a sua, como por exemplo, uma antena com
> polarização vertical rejeitar a polarização horizontal (e vice e versa) ou
> uma antena com RHCP rejeitar a LHCP (ou vice e versa). Uma antena perfeita
> teria rejeição X-pol infinita.
>
> Esta rejeição geralmente só é alta em freqüências de VHF para cima,
> principalmente em micro-ondas. Rejeição alta de X-pol (20 dB ou mais)
> permite *usar a mesma freqüência* para *duas transmissões simultâneas e
> diferentes*, uma com RHCP e outra com LHCP, ou uma na vertical e outra na
> horizontal, como é o caso em satélites de comunicação e TV
> geoestacionários. Mas as duas antenas (TX e RX) de cada enlace devem ter
> evidentemente o mesmo tipo de polarização e alta rejeição X-pol.
>
> Captar uma onda polarizada *circularmente* com uma antena de polarização *linear
> *(ou vice e versa) causa sempre uma *perda de 3 dB* ! (nem mais, nem
> menos. Não há rejeição X-pol entre polarizações linear e circular, ou
> melhor, a rejeição é igual à aceitação: -3dB, pois a onda circular é
> composta de duas componentes lineares. A antena linear capta apenas uma
> destas componentes, portanto metade da potencia=-3dB). E captar uma onda
> RHCP com uma antena LHCP sofre uma perda igual a rejeição de polarização
> cruzada, que idealmente seria infinita.
>
> Em freqüências *abaixo de VHF*, como em ondas curtas e medias, a
> polarização da onda não mantém o seu plano original devido a fenômenos de
> propagação, e as próprias antenas tem baixa rejeição de X-pol, permitindo
> assim usar polarizações diferentes na transmissão e recepção, sem muita
> perda, ou seja, usar indiscriminadamente antenas verticais e horizontais
> para TX e RX, sem muito prejuízo.
>
>
>
> *Como obter RHCP ou LHCP com dipolos cruzados.*
>
>
>
> Mostrarei a seguir como obter na pratica as formas 1 e 2 mencionadas
> anteriormente. É claro que além de dipolos cruzados, podem ser cruzadas as
> mais diversas antenas com polarização linear, como Yagis e outras. Mas
> sempre teremos apenas dois pontos de alimentação, um em cada elemento
> radiador, denominados dipolos no texto seguinte.
>
>
>
> *Método 1 :*
>
> Os dois dipolos estão na *mesma posição longitudinal *(no mesmo plano).
> Portanto devem ser *alimentados* com um *defasamento relativo de 90 graus*.
> A figura seguinte mostra os dipolos *vistos por trás*, portanto olhando na
> direção <http://educar.sc.usp.br/fisica/vetores.html> da propagação (se
> forem de duas Yagis, são vistos pelo lado dos refletores). As polaridades
> instantâneas indicadas correspondem por exemplo ao condutor *interno *do
> coaxial = *+*, sendo o *-* a blindagem do coaxial ou o outro lado do
> balun. *Alimentando o dipolo B com um sinal atrazado 90 graus em relação
> ao dipolo A,  teremos RHCP, pois quando o dipolo A receber o pico positivo
> da senóide, o B não recebe nada. Quando o B receber o pico positivo, após
> 1/4 de período, o A não recebe nada. Visto por traz, na direção de
> propagação, o vetor campo elétrico passa da posição vertical e para cima,
> para a posição horizontal e para a direita, portanto, rodou à direita ou
> sentido horário. ao entrar num plano imaginário situado na frente da antena
> *. Invertendo este defasamento relativo ou invertendo a polaridade de
> alimentação de um dos dipolos, teremos LHCP.
>
> A figura seguinte mostra um exemplo da configuração dos cabos, para *antenas
> com 50 ohms* de impedância e obter *RHCP, respeitando as polaridades da
> figura anterior*. O trecho de cabo *D* de 50 ohms e de 1/4 de onda é o que
> *gera o atraso <http://www.qsl.net/py4zbz/antenas/comcabo.htm#def> (ou
> defasamento <http://www.qsl.net/py4zbz/antenas/comcabo.htm#def>) relativo
> de 90 graus*, e *sem transformar a impedância *da antena. Os dois trechos
> de cabos *Z* de 75 ohms atuam como* transformador de impedância<http://www.qsl.net/py4zbz/antenas/comcabo.htm#tra>
> ,* transformando os 50 ohms de cada antena em 112 ohms, que ligados em
> paralelo no T, voltam para 50 ohms (na verdade 56 ohms...), e introduzem
> ambos 90 graus de atraso. Mas o que importa é que a fase da antena B esteja
> 90 para trás da antena A, o que é feito pelo cabo *D*.
>
> É evidente que os cabos *Z* também (e somente eles) podem ter comprimentos
> iguais a *múltiplos impares inteiros de 1/4* de onda, o que as vezes
> facilita a sua instalação, mas desde que os dois cabos também tenham
> comprimentos *iguais*. Nunca é demais lembrar que o comprimento de um cabo
> coaxial é igual ao comprimento elétrico de onda desejado no ar, multiplicado
> pelo *fator de velocidade do cabo*. É obvio que também podem ser feitas
> outras combinações de cabos, desde que se consiga transformar a impedância
> das duas antenas em paralelo para 50 ohms e ao mesmo tempo os 90 graus de
> atraso relativo. Trocando a polaridade das conexões de uma das antenas, ou
> inserindo mais um cabo de meia onda em uma delas, teremos LHCP. Uma outra
> forma *alternativa* de ligar os cabos é fazer o paralelo das duas antenas
> de 50 ohms, o que resulta em 25 ohms no T, e depois transformar estes 25
> ohms para 50 ohms, com um cabo de 1/4 de onda e 35 ohms, que pode ser feito
> com dois cabos de 75 ohms em paralelo, como mostra a figura seguinte:
>
>
>
>
>
> *Método 2 :*
>
> Agora os dois dipolos (ou as duas Yagis) são *deslocados longitudinalmente
> de 1/4 de onda* (no ar). Portanto as duas antenas agora devem ser *alimentadas
> em fase*. Usando novamente a figura dos dipolos anterior, e supondo que o
> dipolo* B está mais perto do observador situado atrás* da antena (ou seja,
> está mais recuado em relação ao *A* na direção de propagação) teremos *
> RHCP*.  A pequena desvantagem deste método é que o boom da antena fica 1/4
> de onda mais comprido em relação ao método 1, mas a *grande vantagem *em
> relação ao método 1 é que não precisa do cabo defasador *D*, que pelo fato
> de ter 1/4 de onda, pode causar transformação indesejável de impedância caso
> a antena não tenha a mesma impedância que esta cabo !. A figura seguinte
> mostra um exemplo de interligação:
>
> Continuam valendo as observações anteriores em relação aos cabos *Z**,* e
> mudança de polarização. Veja um exemplo OZ2OE<http://hjem.get2net.dk/ole_nykjaer/oz2oe/xyagi/build_yagi.html>.
> Veja mais um exemplo deste método, por PY2BBS<http://www.msxpro.com/py2bbs/satelite_cross_yagi.php>.
> Também pode ser usada a seguinte configuração *alternativa *de cabos:
>
>
>
>
>
> E nos dois métodos *alternativos* anteriores, a transformação de *25 para
> 50 ohms* pode ser ainda *mais bem feita* usando o transformador de *Regier
> * <http://www.cebik.com/trans/ser.html> ou *1/12 lambda*<http://ourworld.compuserve.com/homepages/demerson/twelfth.htm>,
> como mostra a figura seguinte (não esquecer o fator de velocidade do cabo!),
> com a grande vantagem de usar *somente cabos de 50 ohms* !:
>
> (No caso das linhas com 75 ohms, a resultante é 75x75/50=56,25 ohms ou
> (75/2)x(75/2)/25=56,25 ohms. O transformador acima fornece exatamente 50
> ohms a partir de 25 ohms.)
>
>
>
> *IMPORTANTE*: em ambos os métodos 1 e 2, o *ganho total* das duas antenas
> continua *igual ao ganho de uma só*, contrariamente ao que acontece em
> sistemas colineares, onde as antenas são alimentadas em fase. Se por
> exemplo, uma antena tem 10 dBi de ganho, duas delas cruzadas e eletricamente
> a 90 graus pelo método 1 ou 2, terão um ganho total de 10 dBic, o *c*indicando apenas a polarização circular.
>
>
>
> *Método intermediário ao 1 e 2 ...*
>
> Podemos combinar os dois métodos anteriores (mas para que complicar ?)
> fazendo com que os 90 graus necessários sejam feitos em parte eletricamente
> e em parte fisicamente. Por exemplo, podemos deslocar longitudinalmente as
> duas antenas de *1/8 de onda* (no ar) o que equivale a 45 graus elétricos.
> Ainda faltam 45 graus que serão feitos com um pedaço de *cabo de 1/8 do
> onda* a mais em uma das antenas, desde que na antena certa !. Para obter *
> RHCP* por exemplo, usamos o exemplo do método 1, mas com o cabo *D* de 1/8
> de onda (não esquecer o fator de velocidade do cabo) e deslocamos as antenas
> como no exemplo 2, mas apenas de 1/8 de onda no ar. Qualquer outra
> combinação, como 1/12 de cabo + 1/6 de onda de deslocamento (30 graus +60
> graus) também funciona... Uma desvantagem deste método é que não permite
> inverter de RHCP para LHCP simplesmente trocando a polaridade de uma das
> antenas.
>
>
>
> *Conclusão*: é evidente que podem ser feitas inúmeras outras formas de
> interligação, polaridades, comprimentos, deslocamentos, impedâncias de
> antenas, impedâncias de cabos, etc.. Basta verificar a correta *transformação
> e combinação* de impedâncias<http://www.qsl.net/py4zbz/antenas/comcabo.htm>,
> e *como o vetor onda* eletromagnética de cada radiador se *situa na
> direção de propagação* em relação ao do outro radiador, incluindo o
> defasamento elétrico relativo dos dois radiadores:
>
>
>
> Trocando em miúdos, veja este exemplo do método 2:
>
>  Na foto acima, temos uma antena feita por Luciano PY2BBS<http://www.msxpro.com/py2bbs/satelite_cross_yagi.php>.
> Ela é vista *por trás* (como manda a IEEE). O vetor que sai primeiro desta
> antena é logicamente o do dipolo mais adiantado (mais na frente da antena),
> que no caso é o dipolo vertical . Como as duas antenas estão alimentadas *em
> fase*, na mesma hora que o dipolo vertical recebe o pico positivo da onda
> senoidal de tensão, gerando um vetor vertical para cima (12 horas no
> relógio, seta para cima),  o dipolo horizontal também recebe este mesmo pico
> positivo, e portanto gera um vetor na horizontal e para esquerda (9 horas no
> relógio). Isto porque a polaridade de ligação dos coaxiais é: condutor
> interno para cima no dipolo vertical e condutor interno para a esquerda do
> dipolo horizontal. Como o *primeiro vetor a sair da frente* da antena é o
> vertical para cima (12 horas), seguido (apos um tempo de um quarto de
> período da onda) pelo horizontal à esquerda (9 horas), o vetor, ao se
> propagar na direção de propagação e olhando por trás, rodou no sentido *
> anti-horário* (de 12 para 9 horas), portanto corresponde a uma onda* LHCP.
> *Não importa se rodarmos a antena em torno do boom, sempre teremos LHCP,
> mesmo virando-a de costas. A rosca de um parafuso não muda com a sua posição
> ! .
>
>   *Trocando a polaridade de apenas um dos cabos*, por exemplo, ligando o
> condutor interno do coaxial à direita do dipolo horizontal, teremos *RHCP,
> *pois o dipolo horizontal gera agora um vetor horizontal a direita (3
> horas) ao mesmo tempo que o dipolo vertical continua gerando o mesmo "12
> horas". O primeiro vetor a deixar a antena continua sendo o "12 horas",
> seguido, um quarto de período depois, pelo "3 horas", portanto girando agora
> no sentido horário e gerando, de acordo com a IEEE, *RHCP.* Mas se
> olharmos de frente para antena, a onda indo em nossa direção (não mais se
> afastando), o sentido de rotação do vetor é invertido (saindo do plano), mas
> a polarização é sempre a mesma. Num parafuso com rosca direita, você gira a
> porca a direita para apertar, e a gira a esquerda para desapertar, mas a
> rosca sempre é direita.
>
> *Detalhe interessante:* os dois dipolos também irradiam para trás, em
> direção ao observador da foto anterior, mas gerando uma onda RHCP !. Esta
> onda será redirecionada para a frente da antena pelos refletores. Como a
> onda circular muda de sentido ao ser refletida, esta onda refletida está
> agora no mesmo sentido LHCP da onda gerada para frente, e portanto se
> somando construtivamente e contribuindo para o ganho da antena, desde que a
> distancia relativa refletores/dipolos esteja correta.
>
>
>
> Fonte: Site de *Roland, PY4ZBZ / F5NCB*.( http://www.qsl.net/p/py4zbz/ )
>
>
> _______________________________________________
> CLUSTER mailing list
> CLUSTER  radio-amador.net
> http://radio-amador.net/cgi-bin/mailman/listinfo/cluster
>
>

-- 
Carlos Pinheiro
-------------- próxima parte ----------
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