¿Qué es una antena de polarización dual MiMo? Guía completa

Comprender la tecnología de antenas es crucial para cualquiera que trabaje en el sector de las comunicaciones inalámbricas. Las antenas de doble polarización son un componente esencial que afecta en gran medida a la funcionalidad de los sistemas de comunicación modernos, y esta guía le ayudará a comprenderlas. En el mundo de la tecnología, en rápida evolución, es importante comprender las antenas de doble polarización y su significado. Líderes en la mejora de los sistemas de comunicación, estas antenas prometen una mayor calidad de la señal y una utilización más eficaz del ancho de banda.

Entrada múltiple Salida múltiple (MIMO) se ha convertido en la base para aumentar el ancho de banda, la eficiencia espectral y la velocidad de transmisión de datos de las redes. Para lograr estas mejoras, la doble polarización Antenas MIMO son esenciales por su capacidad de enviar y recibir señales en polarizaciones ortogonales.

En este artículo se tratan en detalle las variedades, ventajas, comparaciones con las antenas de polarización única y diversos usos de las antenas de polarización dual. Esta guía exhaustiva ofrece una visión de las antenas MIMO de doble polarización, que abarca desde los fundamentos teóricos hasta las aplicaciones en el mundo real.

¿Qué es una antena de doble polarización?

Cuando se trata de enviar y recibir señales en dos planos de polarización distintos, normalmente horizontal y vertical, una antena de polarización dual es una herramienta excelente. Esta característica dual es esencial para una comunicación eficaz, ya que permite duplicar la capacidad de un sistema de comunicación sin necesidad de más ancho de banda ni potencia de transmisión.

La doble polaridad se refiere simplemente a la capacidad de una antena para enviar y recibir señales simultáneamente en dos planos separados. Para ello, se utilizan dos conjuntos de elementos o antenas colocados en ángulo recto. Normalmente horizontales y verticales, los dos conjuntos de dispositivos están hechos para enviar y recibir señales en dos planos ortogonales. La mejora de la diversidad de señales y el rechazo de interferencias son dos ventajas de las antenas de doble polaridad que resultan esenciales para mantener unas comunicaciones fiables en distintos tipos de entornos.

¿Cómo funciona?

Las antenas bipolarizadas funcionan enviando y recibiendo simultáneamente señales en dos polarizaciones distintas. El término "polarización" describe cómo se orientan las ondas electromagnéticas durante su propagación espacial. En una antena monopolar, las ondas electromagnéticas se propagan en dirección vertical u horizontal. Pero en una antena de polarización doble, las ondas van en dos direcciones ortogonales, normalmente vertical y horizontal.

Las antenas de doble polarización lo consiguen teniendo dos conjuntos de elementos radiantes, cada uno orientado en una polarización distinta. Por lo general, se utiliza una disposición de polarización cruzada de estos elementos radiantes, con un conjunto de elementos alineados verticalmente y el otro conjunto horizontalmente.

La antena de doble polarización tiene la capacidad de transmitir simultáneamente señales en polarización vertical y horizontal. Gracias a ello, pueden transmitirse dos flujos de datos distintos en la misma gama de frecuencias. Del mismo modo, la antena puede recibir simultáneamente señales en ambas polarizaciones, duplicando así la cantidad de datos recibidos.

Las antenas de doble polarización tienen la ventaja de duplicar el rendimiento de un canal de comunicación al transmitir y recibir más datos en la misma banda de frecuencias. Por eso son muy eficaces en espectros saturados, donde es crucial maximizar la transmisión de datos.

¿Para qué sirve una antena de doble polarización?

Una antena de doble polarización permite enviar y recibir simultáneamente señales con dos polarizaciones distintas. Con ella se pueden enviar y recibir dos señales o flujos de datos distintos en la misma gama de frecuencias. Este tipo de antena se emplea con frecuencia en sistemas de comunicación inalámbricos para permitir la transmisión y recepción simultáneas de numerosas señales, aumentando así la capacidad y eficacia del sistema. Los sistemas de radar también la utilizan para distinguir entre las señales reflejadas de varios objetos según su polarización.

Tipos de polarización de antenas

Polarización vertical

En la polarización vertical, el campo eléctrico de la onda electromagnética oscila verticalmente con respecto a la superficie de la Tierra. En este caso, el campo eléctrico está orientado perpendicularmente al suelo. En la comunicación por satélite, la transmisión de televisión y la comunicación inalámbrica, este tipo de polarización también se utiliza con frecuencia. Este tipo funciona bien en entornos urbanos donde las señales tienen que atravesar eficazmente los edificios.

Polarización horizontal

El campo eléctrico oscila horizontalmente cuando hay polarización horizontal. En este caso, el campo eléctrico es paralelo al suelo. La comunicación por satélite y la transmisión de televisión utilizan con frecuencia este tipo de polarización. Como la polarización horizontal pierde menos reflexión en el suelo que la vertical, es mejor para la comunicación a larga distancia, sobre todo en zonas rurales.

Polarización cruzada (inclinación doble ±45°)

Cuando la antena admite dos polarizaciones en ángulos de ±45° con respecto al eje horizontal, esta configuración se conoce como polarización cruzada. La polarización 45 es un tipo de polarización utilizado en las comunicaciones móviles. Describe cómo se orienta el campo eléctrico de una onda de radio con respecto a la superficie de la Tierra. En la polarización 45, el campo eléctrico está orientado en un ángulo de 45 grados con respecto a la superficie de la Tierra.
Las redes celulares emplean con frecuencia este tipo de polarización para reducir las interferencias y mejorar la calidad de la señal. Las antenas de doble polarización son conocidas por esta disposición, muy útil en sistemas MIMO para reducir las interferencias y mejorar la calidad de la señal.

Polarización circular: RHCP / LHCP

Cuando una onda se propaga con polarización circular, el campo eléctrico gira siguiendo un patrón circular. La polarización circular derecha (RHCP) y la polarización circular izquierda (LHCP) son los dos tipos de polarización circular. Las comunicaciones por satélite, el GPS, la RFID, las comunicaciones inalámbricas y los sistemas que deben funcionar de forma coherente incluso con diferentes orientaciones de la señal utilizan con frecuencia la polarización circular.

Ventajas de las antenas de doble polarización

La doble polarización ofrece varias ventajas en diversas aplicaciones. Algunas de las principales ventajas son:

• Mejora de la calidad de los datos

 La doble polarización ofrece detalles adicionales sobre el objeto o la escena objeto de observación. Se pueden obtener imágenes y mediciones de mayor calidad enviando y recibiendo señales tanto en polarización horizontal como vertical, lo que permite recopilar información más precisa sobre el objeto.

• Identificación de objetivos mejorada  

La doble polarización facilita la diferenciación entre distintos tipos de objetivos. Por ejemplo, puede ayudar a diferenciar entre lluvia, nieve, granizo y otras formas de precipitación en aplicaciones de radar meteorológico. En teledetección, puede ayudar a distinguir entre las distintas formas de cobertura del suelo, incluidas las zonas urbanas, los bosques y la agricultura.

• Mayor sensibilidad

La doble polarización puede aumentar la sensibilidad de los sistemas de radar. El radar puede aumentar su capacidad de detección y medición captando más energía de retrodispersión del objetivo enviando y recibiendo señales en dos polarizaciones.

• Reducción de las interferencias

En los sistemas de radar, la doble polarización ayuda a reducir las interferencias. Se pueden obtener mediciones más limpias y precisas separando la señal del objetivo de las señales no deseadas y del ruido de fondo mediante la utilización de ambas polarizaciones.

• Mayor rendimiento en condiciones meteorológicas adversas

En condiciones adversas, como lluvia intensa o nieve, la doble polarización ofrece mejores resultados. Ambas polarizaciones pueden utilizarse para aumentar la precisión de la medición y reducir el efecto de la atenuación de la señal.

•  Reconocimiento y clasificación de objetivos mejorados

Las tareas de reconocimiento y clasificación de objetivos pueden beneficiarse de la doble polarización. Los distintos tipos de objetivos pueden identificarse y clasificarse según sus características de dispersión examinando las características de polarización de las señales retrodispersadas.

En general, con sus numerosas ventajas en términos de calidad de datos, discriminación de objetivos, sensibilidad, reducción de interferencias, rendimiento en condiciones meteorológicas adversas y reconocimiento de objetivos, la doble polarización es una herramienta útil para diversas aplicaciones, como el radar meteorológico, la teledetección y la vigilancia militar.

Comparación con antenas de polarización única (antenas SISO)

Dado que las antenas de polarización única (SISO) sólo utilizan una polarización, su rendimiento y capacidad se ven limitados en situaciones de propagación complejas. Las siguientes distinciones significativas entre las antenas SISO y las de doble polarización se muestran por comparación,

Las antenas monopolarizadas están hechas para enviar y recibir señales en una sola polarización, que puede ser vertical u horizontal. Esto significa que sólo pueden enviar o recibir señales polarizadas en la misma dirección. La intensidad de la señal se reducirá considerablemente si la polarización de la transmisión y de la antena son diferentes.

En cambio, las antenas de doble polarización pueden emitir y recibir señales tanto en polarización vertical como horizontal. Como resultado, pueden interactuar con dispositivos que tengan orientaciones de polarización diferentes a las suyas. Como las antenas bipolarizadas pueden ajustarse a la polarización de la señal entrante, produciendo señales más fuertes y claras, ofrecen un canal de comunicación más fiable y eficaz.

En conclusión, la principal diferencia entre las antenas monopolarizadas y las bipolarizadas es que las primeras sólo utilizan una polarización, mientras que las segundas utilizan tanto la polarización horizontal como la vertical, lo que ofrece un método más flexible y eficaz de transmitir señales.

2×2 frente a 4×4 Antenas MIMO

Encontrarás términos como 2×2, 4×4 y 8×8 MIMO si has decidido que necesitas un sistema MIMO en lugar de una sola antena. En un sistema MIMO, estos números representan el número de transmisores (el primer número) y receptores (el segundo número).

2×2 MIMO

Un sistema MIMO 2×2 está formado por dos transmisores y dos receptores. Las dos antenas suelen tener polarización cruzada, que es una técnica que consiste en colocar las antenas una encima de otra en forma de "x" o "+" para que estén separadas entre sí. Con esta configuración se pueden enviar y recibir simultáneamente dos flujos de datos. Muchos routers WiFi de consumo y ciertos dispositivos 4G y 5G suelen utilizar 2×2 MIMO. Aunque 2×2 no proporciona el mismo nivel de rendimiento que los sistemas MIMO de orden superior, las velocidades de datos suelen ser 30% superiores a las de los sistemas SISO (entrada única, salida única). Las redes Wi-Fi y LTE utilizan con frecuencia esta configuración porque proporciona ligeras mejoras en cobertura y velocidad de datos.

4×4 MIMO

Utilizando cuatro transmisores y cuatro receptores, un sistema MIMO 4×4 aumenta enormemente la capacidad y fiabilidad de la red. Resulta muy ventajoso para aplicaciones de alta velocidad como 5G y redes inalámbricas complejas. Esto permite un aumento adicional de 30% en el rendimiento de datos con respecto a 2×2 MIMO y hasta cuatro flujos de datos "espacialmente multiplexados". Los routers WiFi de gama alta y algunos dispositivos 4G y 5G de última generación suelen utilizar 4×4 MIMO. En la práctica, una antena MIMO 4×4 suele estar formada por dos antenas 2×2 de polarización cruzada. Las antenas se colocan simplemente dentro del dispositivo.

Tipos de antenas de doble polarización

Antena sectorial de doble polarización

Las antenas sectoriales de doble polaridad utilizan un diagrama de radiación sectorial en el plano horizontal tanto para la transmisión como para la recepción. Se puede conseguir una cobertura más amplia u omnidireccional combinando varias antenas sectoriales; la cobertura suele ser de 60, 90 o 120 grados.
Las estaciones base emplean antenas sectoriales con doble polarización para cubrir sectores concretos. Son perfectas para sistemas de acceso inalámbrico fijo y redes celulares. En términos sencillos, las antenas sectoriales son antenas de panel más grandes con un aislamiento y una directividad frontales mejorados.

Antena de panel de doble polarización

Estas antenas planas polivalentes se utilizan para conexiones entre edificios y comunicaciones punto a punto. Las antenas de panel son antenas rectangulares y planas que suelen fijarse en paredes u otras estructuras exteriores o utilizarse en el interior. Para concentrar la cobertura en una región o dirección concreta, ofrecen una señal que es relativamente direccional. En situaciones en las que hay obstrucciones entre usted y la torre de telefonía móvil, las antenas de panel pueden mejorar el rendimiento porque suelen ser fáciles de orientar y captan bien las señales reflejadas.

Antena de techo de doble polarización

Para una cobertura inalámbrica sin problemas, las antenas de techo están pensadas para aplicaciones de interior, como zonas públicas y oficinas. Por su capacidad de enviar y recibir señales tanto en el plano horizontal como en el vertical, las antenas de techo de doble polarización son cada vez más comunes. Estas antenas, que se montan en techos, mejoran la cobertura en interiores, sobre todo en lugares con mucho tráfico.

Antena omnidireccional de doble polarización

Los sistemas Wi-Fi y de vigilancia que necesitan una cobertura de 360 grados suelen utilizar antenas omnidireccionales, que emiten señales en todas direcciones. Las antenas omnidireccionales pueden enviar y recibir señales dentro de un círculo de 360 grados. No necesitan apuntar a una torre de telefonía móvil porque recogen señales de todas las direcciones. Funcionan bien para aumentar la intensidad de la señal en una amplia gama de operadores. Funcionan bien cuando la señal es de moderada a fuerte.

Antena parabólica de doble polarización

Las antenas parabólicas de doble polarización ofrecen una alta ganancia y un enfoque preciso del haz, lo que las hace perfectas para la comunicación a larga distancia. Las comunicaciones inalámbricas de largo alcance suelen utilizar antenas parabólicas, que son antenas muy direccionales. Su forma parabólica, que ayuda a enfocar la señal en un haz estrecho, es lo que las distingue. Cuando se necesita una señal potente y concentrada a larga distancia, las antenas parabólicas son perfectas, ya que pueden producir una ganancia muy alta. Los sistemas de radar y satélite las utilizan mucho.

Antena Yagi de doble polarización

Las antenas Yagi son perfectas para la comunicación punto a punto por sus características direccionales. Un buen ejemplo es la antena Yagi de doble polarización de KP Performance, que ofrece un excelente rendimiento en zonas aisladas y rurales. Estas antenas Yagi están diseñadas y probadas sobre el terreno para ofrecer una penetración en los árboles y un rendimiento superiores.

Aplicaciones de la antena de doble polarización

Las antenas MIMO de doble polarización se utilizan en distintos campos. Hay muchos sistemas de comunicación inalámbrica que utilizan antenas de doble polarización, como los sistemas de comunicación por satélite, las estaciones base de telefonía móvil, las redes Wi-Fi y las comunicaciones por microondas punto a punto. Son especialmente útiles en situaciones que requieren altas velocidades de transmisión de datos y un uso eficiente del espectro.

1. Enlaces de microondas punto a punto

Los enlaces de microondas punto a punto, que requieren un alto caudal de datos a larga distancia, suelen utilizar antenas de doble polarización. Estas antenas optimizan la eficiencia del ancho de banda al soportar dos flujos de datos independientes en polarizaciones ortogonales. Esto es esencial para las redes de backhaul de los operadores móviles, donde se requiere una transmisión fiable de cantidades masivas de datos. Además, el diseño de doble polarización mejora la estabilidad del enlace en despliegues de alta densidad al reducir las interferencias.

2. Estaciones base de telefonía móvil

Las antenas de doble polarización son elementos cruciales de las estaciones base de las redes celulares. Hacen posibles tecnologías punteras como MIMO, que mejoran la utilización del espectro y la capacidad de la red. Estas antenas garantizan la mejor transmisión y recepción posibles de la señal tanto en zonas urbanas como rurales, ya que admiten polarizaciones verticales y horizontales. Como resultado, los consumidores de telefonía móvil se benefician de una mayor cobertura, velocidades de transmisión de datos más rápidas y una conectividad mejorada.

3. Redes Wi-Fi

Las redes Wi-Fi utilizan cada vez más antenas de doble polarización, sobre todo en puntos de acceso públicos y entornos empresariales. Ofrecer Internet de alta velocidad a numerosos usuarios a la vez requiere un uso eficaz del espectro disponible, lo que queda garantizado por su capacidad para manejar distintas polarizaciones. Esto es especialmente útil en lugares con mucho tráfico, como estadios, centros de conferencias y aeropuertos, donde es necesario un acceso fiable.

4. Sistemas de comunicación por satélite

Las antenas de doble polarización son esenciales para los sistemas de comunicación por satélite porque pueden facilitar operaciones simultáneas de enlace ascendente y descendente en polarizaciones ortogonales. Además de aumentar la eficiencia del espectro, esta disposición permite a los satélites dar servicio a más clientes o aplicaciones a la vez. Además, la doble polarización reduce las interferencias causadas por el solapamiento de señales, garantizando una comunicación fiable y precisa. Entre sus aplicaciones se encuentran la radiodifusión, el seguimiento meteorológico y el GPS.

Factores a tener en cuenta al seleccionar las antenas

• Frecuencia:

La frecuencia operativa debe ajustarse a la aplicación prevista para garantizar un rendimiento óptimo. Por ejemplo, las frecuencias más bajas son más adecuadas para la comunicación a larga distancia, mientras que las frecuencias más altas ofrecen mejores velocidades de datos para aplicaciones de corto alcance como Wi-Fi y 5G.

Las antenas de polarización dual de 5 GHz operan en el rango de 4,9-5,9 GHz, cubriendo bandas sin licencia como la IEEE 802.11a/n/ac para comunicación Wi-Fi. La transferencia de datos a alta velocidad es posible gracias al considerable ancho de banda disponible en estas frecuencias sin licencia y, al no estar tan extendidas, hay menos interferencias que en frecuencias más bajas.

• Gane:

Las antenas de mayor ganancia ofrecen mayor alcance e intensidad de señal, pero a menudo a costa de un haz más estrecho. Las antenas de alta ganancia son ideales para la comunicación punto a punto a larga distancia, mientras que las de menor ganancia son mejores para áreas de cobertura más amplias, como en las configuraciones omnidireccionales.

• Aislamiento:

Un buen aislamiento entre polarizaciones minimiza las interferencias entre las señales transmitidas y recibidas en polarizaciones ortogonales. Esto es especialmente importante en los sistemas MIMO, donde un aislamiento deficiente puede degradar el rendimiento y reducir el caudal de datos.

• Polarización:

Seleccionar la polarización adecuada mejora la eficacia del sistema al garantizar una alineación óptima de la señal entre el transmisor y el receptor. Por ejemplo, la polarización dual (horizontal y vertical) es ideal para sistemas MIMO, mientras que la polarización circular es beneficiosa en la comunicación por satélite para reducir la degradación de la señal causada por las condiciones atmosféricas.

• Tipo de conector:

El conector debe ser compatible con la línea de transmisión del sistema para garantizar una pérdida de señal mínima y una transferencia de potencia eficaz. Los tipos de conectores más habituales son SMA, tipo N y TNC, que se seleccionan en función de la gama de frecuencias, la potencia y las condiciones ambientales de la aplicación.

Por qué es importante la polarización de la antena

La polarización de las antenas es importante. La orientación de las ondas electromagnéticas que transmite o recibe una antena se denomina polarización. La polarización de una antena puede ser vertical u horizontal.
Para obtener los mejores resultados, la polarización de una antena debe coincidir con la polarización de la señal que se envía o recibe. Cuando las polarizaciones se alinean, la señal adquiere mayor intensidad y calidad, lo que permite una transmisión o recepción eficaces.

Si las polarizaciones no están alineadas, la señal puede perder intensidad o incluso bloquearse por completo. Esto se debe a que la señal sufre un fenómeno conocido como pérdida de polarización cuando las polarizaciones son perpendiculares entre sí. Esta pérdida, que se produce cuando el campo eléctrico de la señal no puede acoplarse a la antena, reduce la intensidad de la señal y puede reducir el rendimiento de la comunicación.
La polarización de la antena influye en la eficacia del sistema y en la penetración de la señal, además de en la alineación. Por ejemplo, como la polarización vertical mejora la penetración de la señal por encima de obstáculos como árboles y edificios, se utiliza con frecuencia para la comunicación tierra-aire. Sin embargo, como reduce las interferencias de otras señales con polarizaciones diferentes, la polarización horizontal se utiliza con frecuencia para la comunicación punto a punto.

Para garantizar un rendimiento óptimo, la claridad de la señal, la penetración y la eficacia del sistema, la polarización de la antena es un factor esencial en el diseño del sistema.

Conclusión

Las antenas de doble polarización ofrecen un mayor rendimiento, fiabilidad y eficiencia, lo que las convierte en un importante avance en la tecnología de las comunicaciones. Comprender los efectos de la polarización de la antena es esencial para que los profesionales de TI puedan superar con éxito la complejidad de los sistemas de comunicación modernos. Estas antenas son la base para 4G, 5G y más allá, ya que combinan un rendimiento mejorado, un diseño compacto y una amplia gama de aplicaciones. Las antenas de doble polarización desempeñarán un papel cada vez más importante a la hora de facilitar los avances en conectividad de las tecnologías inalámbricas a medida que la comunicación inalámbrica siga desarrollándose.

Las antenas de doble polarización son cada vez más importantes a medida que nos enfrentamos a los retos de la comunicación inalámbrica. Su capacidad para aumentar la capacidad de comunicación sin necesidad de recursos adicionales es un gran avance que anuncia una era en la que la transmisión de datos será más fiable, eficaz y rápida que nunca.

En general, este artículo destaca el papel esencial que desempeñan las antenas MIMO de polarización dual en el desarrollo de los modernos sistemas de comunicación inalámbrica, esbozando los conceptos fundamentales, tipos, ventajas, comparaciones con las antenas de polarización única, aplicaciones en el mundo real e importantes consideraciones de diseño.