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Polarización giratoria y polarización circular

No tengo más remedio que pedir disculpas a los que haya podido enredar con la conexión de dos antenas cruzadas para formar una antena doble H+V, en lugar de conectarlas para polarización circular, como proponía en un artículo anterior de Radioaficionados de Octubre de 2016, titulado Polarización circular para satélite”, porque pronto me descubrieron que estaba muy equivocado y que no era una buena solución, como explico más adelante, pues no deja de ser una conexión que convierte las dos antenas cruzadas en una sola antena de polarización lineal con inclinación de 45º, en lugar de sumarse las dos polarizaciones independientemente.

La idea inicial de ese artículo era analizar las causas de que las dos mitades de un pase de satélite siempre sean diferentes: una mitad buena y una mitad mala, y encontrar cuál es la solución mejor para compensar esas diferencias. Confío en que con este artículo consigo acercarme más a la respuesta correcta y todo apunta que la conexión de dos antenas cruzadas a 90º con polarización circular es la mejor solución para recibir una polarización giratoria.

De los errores es de dónde más se aprende.  No hay nada más aleccionador que pasarse la vida intentando todo lo que a uno se le ocurre, aprendiendo así de todas las  cosas que no funcionan, hasta conseguir averiguar el porqué no funcionan.

También tengo que disculparme por mi insistencia en que la representación de las ondas electromagnéticas no era correcta y que mi teoría de su propagación con los campos eléctricos y magnéticos entrelazados por el espacio (véase revista Radioaficionados de Agosto/Setiembre de 2016) no es correcta. Varios ingenieros me han informado que la única solución posible matemáticamente es la de que los campos eléctricos y magnéticos pulsen en fase cuando las ondas electromagnéticas viajan por el espacio a la velocidad de la luz, y no entrelazados y desfasados como yo proponía.

Aunque no he tenido más remedio que aceptar esta conclusión de gente más sabia, aún no he quedado totalmente convencido al cien por cien, porque nadie consigue explicarme de forma satisfactoria cómo y por qué se produce el cambio de la fase desde  que se genera en una antena con un desfase entre campo eléctrico y magnético de 90º en el “campo cercano” próximo a la antena,  hasta aparecer luego viajando por el espacio  con los dos campos eléctrico y magnético de la onda totalmente en fase, pulsando al mismo tiempo, en el llamado “campo lejano” . Un cambio de fase que se me hace difícil de entender cuál es la causa.

Polarización giratoria

Pero volvamos a los hechos que nos ocupan ahora: En primer lugar, en el artículo de Octubre, empecé liándome mezclando polarización giratoria con la auténtica polarización circular, lo cual era básico, pues la emisión por un simple dipolo desde un Cubesat no es más que una polarización lineal giratoria, que se produce a un ritmo igual al del giro del Cubesat sobre sí mismo. Aunque ese giro hace girar también la polarización de la onda radiada por el dipolo del satélite,  no deja de ser una polarización lineal que va cambiando de polarización cuando gira el satélite. Por ejemplo, va pasando desde una polarización inicial vertical, para seguir luego, con el giro del propio satélite, pasar a convertirse inmediatamente en horizontal y continuar cambiando y girando al ritmo que rueda el satélite. Eso no es una polarización circular propiamente dicha, como se ve en la figura 1, sino lineal giratoria.

Figura 1: Polarización giratoria de un Cubesat.

Y al satélite siempre se le hace girar para obtener una orientación más favorable para una iluminación más estable y satisfactoria, normalmente alrededor de un eje de giro ZZ’ lo más paralelo posible al eje que pasa por los  sod polos de la tierra, de forma que reciba la iluminación solar lo más perpendicular posible a las placas solares laterales de los ejes XX’ ye YY’.

Polarización circular

La polarización circular propiamente dicha (Figura 2) es cuando la polarización “lineal” gira a derechas o izquierdas, pero a un ritmo rapidísimo, nada menos que  a la frecuencia de emisión, de forma que se produce el giro del campo eléctrico a una velocidad tan elevada que no tiene nada que ver con la polarización giratoria lenta de un Cubesat, cuando gira sobre sí mismo para estabilizarse. Por tanto, ambas polarizaciones, la giratoria y la circular, no pueden considerarse ni remotamente parecidas ni asimilables ni  en su origen ni en sus efectos.

Figura 2: Polarización circular con conmutador der./izq..

La polarización circular se consigue alimentando dos dipolos excitados de dos Yagis cruzadas con un desfasador de un cuarto de onda eléctrica intercalado entre las dos, tal como se observa en la Figura 2, en la que, según la posición del conmutador, se hace girar la polarización circular a derechas o a izquierdas, según convenga. El sentido de giro depende de a cuál de los dipolos enviamos primero la señal del transmisor, antes de pasar por el desfasador de Δ/4.  La polarización girará a derechas si el siguiente dipolo se encuentra a la derecha y girará a izquierdas si el siguiente dipolo excitado está a la izquierda del primero.

Obsérvese también en la figura 2  las transformaciones de impedancia que hay que realizar para conseguir que dos antenas de 50 ohmios en paralelo (25 ohmios) vuelvan a convertirse en 50 ohmios para adaptarlas correctamente a un coaxial de 50 ohmios.

Las antenas de polarización circular en recepción

La ventaja de las antenas de polarización circular para la recepción de Cubesats con polarización giratoria estriba en que, aunque la señal generada por el Cubesat no sea de polarización circular auténtica, sino una polarización lineal giratoria, siempre es mejor su recepción con una antena de auténtica polarización circular. Aunque se pierdan 3 dBs al recibir una polarización lineal giratoria con nuestra antena de Yagis cruzadas de polarización circular, aún mantiene la ventaja de que nuestra antena cruzada es menos sensible a los desvanecimientos por el giro del Cubesat y de la polarización Es decir, siempre recibe la señal giratoria del Cubesat  de un modo mucho más estable. Mucho más que con las antenas de un solo plano de polarización (H o V), la cuales producen sucesivos desvanecimientos de la señal, cuando la polarización queda perpendicular a la de la antena, o sea perpendicular a sus elementos.

Eso demuestra que las antenas de  polarización circular conmutable a derechas o izquierdas son la mejor solución para la recepción de los Cubesats equipados con un simple dipolo y por tanto con polarización giratoria, puesto  que estos nanosatélites no acostumbran a equipar dipolos cruzados con polarización circular.  En un Cubesat de una sola unidad de 10 x 10 x 10 cm, es muy difícil desplegar dos dipolos perpendiculares con cinta “métrica” flexible, pues no caben bien los cuatro brazos de cuarto de onda. Es mucho más fácil colocar solamente  dos brazos fácilmente desplegables, desde la cara superior de 10 x 10, que son las dimensiones estándar (Figura 1).

La conexión H+V no era la solución

La conexión en paralelo dos antenas  Yagi, una en polarización horizontal y otra en polarización vertical, para disponer de todas las ventajas de recibir la polarización vertical y la horizontal, de un modo que sus captaciones respectivas se sumen perfectamente, sin perder en ningún momento  la recepción de una señal giratoria (no circular), no es correcta. No es exactamente así, como era fácil de comprobar en la figura 3 en que simplemente se ha prescindido de la adaptación de impedancias y hemos conectado las dos antenas cruzadas directamente..

Lamentablemente, el problema que se plantea, cuando conectamos en paralelo  dos antenas Yagi cruzadas H y V en una sola bajada (siempre adaptando las impedancias con los transformadores de λ/4 correspondientes), es que las dos antenas se comportan ahora realmente como si  fueran una única antena lineal,  que tuviera sus elementos colocados en un plano inclinado a 45º en diagonal (Figura 3). Al conectarlas directamente prescindiendo de la  adaptación de impedancias, se ve claramente que el resultado no es la suma de la recepción de dos antenas  H+V, pues las fases tienen algo que decir y nos vuelven a proporcionar una polarización lineal a 45º.

Figura 3: Dipolos H + V = Un dipolo a 45º.

Cuando la onda electromagnética llega con inclinación de 45º, los dos dipolos suman sus campos eléctricos y aumenta la señal, mientras que después del giro  de cuarto de vuelta del Cubesat, si ahora nos llega con un ángulo de 135º (45+90º), será como si llegara perpendicular a la antena y se desvanecerá también la señal recibida captadas por las dos, como si fuera perpendicular a una sola antena Yagi colocada con 45º de inclinación.  Hemos perdido el tiempo y desaprovechado las dos Yagis cruzadas. Tendremos dos desvanecimientos por cada rotación completa del Cubesat, cada vez que quede perpendicular a los 45ºº. Suerte que normalmente giran despacio, porque empeorará nuestra recepción promedio en el pase.

La diferencia de señal en las dos mitades del pase

El pase de cualquier satélite LEO por encima de nuestro QTH da como una recepción con dos partes muy distintas: La primera parte sería desde su aparición por el horizonte hasta su elevación máxima, mientras que la segunda parte sería desde su elevación máxima hasta su desaparición por el horizonte opuesto (Figura 4).

Figura 4: El pase del satélite consta de dos partes diferenciadas.

La experiencia demuestra que las dos mitades de un pase no son nunca equivalentes y, en busca de una explicación convincente, el planteamiento de que la antena H + V fuera la solución perfecta para compensar las diferencias de recepción entre las dos mitades del pase de un satélite Cubesat, era un planteamiento  demasiado simplista y desgraciadamente erróneo. No era ese el problema a resolver y mucho menos la solución correcta para compensar la diferencia de calidad de los dos mitades del pase de un Cubesat.

La realidad es que siempre las dos mitades del pase son bastante distintas. En una primera mitad, la recepción suele ser muy buena y, después de pasar por su máxima elevación, si la primera mitad ha sido buena, ahora veremos que la segunda mitad del pase proporciona una recepción más deficiente.  Y a la inversa, si la primera era mitad ha resultado mala, la segunda resultará ser la buena. ¿Cuál es la auténtica explicación d este fenómeno?

La actitud del Cubesat

Lo más probable (y mientras no se demuestre lo contrario) sería que esa marcada diferencia proceda precisamente de la necesidad de estabilizar los satélites Cubesat en una “actitud” (posición respecto a la Tierra) que sea lo más perpendicular posible a la dirección de donde procede la radiación solar (Figura 5) con objeto de aprovecharla al máximo. Analicemos las órbitas típicas de los Cubesats

Figura 5: Órbitas polares en planos casi  perpendiculares a la radiación solar.

Normalmente hay dos tipos de pases de Cubesat por encima de nosotros, siempre teniendo en cuenta un Cubesat típico, cuya órbita es muy polar. Es decir, siempre pasa con su órbita muy cerca de los polos y casi perpendicular al ecuador terrestre, con inclinaciones cercanas a los 90º.  En este tipo de orbita casi polar, tenemos siempre pases ascendentes y pases descendentes, y los pases por encima nuestro se suceden en grupos normalmente de 3 en 3, que lo ponen a nuestro alcance (Figura 6) más o menos con intervalos de unas 12 horas, en promedio, aunque esto es muy aproximado.

Figura 6: Los pases se producen muy a menudo de tres en tres.

l satélite utiliza la radiación solar para obtener un momento de giro angular, y se procura que se estabilice girando alrededor de un eje ZZ’ (Figura 1) que sea lo más perpendicular posible a la radiación solar que lo ilumina, de forma que las caras XY, X’Y, XY’ y YY, (paralelas al eje ZZ’), equipadas con paneles solares,  reciban la máxima radiación solar posible a lo largo del tiempo.

En consecuencia,  se intenta que el satélite se mantenga girando alrededor de su eje ZZ’ y que este se encuentre  lo más paralelo posible al eje N/S de la Tierra y, por tanto, aproximadamente perpendicular al plano del ecuador terrestre, de modo que pase el mayor tiempo posible con sus paneles solares laterales (X, X’, Y y Y’) aproximadamente perpendiculares a los rayos solares, para que se carguen al máximo sus baterías.  Esta posición estabilizada es la que se llama “actitud” del satélite (figura 7).Vemos en esta imagen que lo ideal sería que su eje de giro ZZ’ se  mantuviera lo más  paralelo posible  al eje N/S de la Tierra.

Figura 7: Actitud del satélite.

¿Por qué esa diferencia entre las dos mitades del pase?

Mi idea actual (voy a ser algo más prudente y a poner a prueba esta explicación) es que, gracias a este giro sobre sí mismo alrededor del eje ZZ’, como la actitud del satélite mantiene una posición más o menos paralela al eje N-S de los polos terrestres y, por tanto, perpendicular al plano del ecuador terrestre. Repito que el objetivo es obtener la máxima insolación a lo largo de todo un año. Este giro hace que la antena dipolo del Cubesat gire en un plano lo más paralelo posible al plano del ecuador y eso hace que en algunos momentos de su pase por nuestro QTH se encuentre con su dipolo de puntas hacia nuestra antena.

Nosotros nos encontraremos en cierto momento del  pase casi dentro del mismo plano de giro de su dipolo (Figura 8, posición B), justo antes de pasar por encima de nosotros  y veríamos sus antenas girando con sus puntas muchas veces hacia nosotros, de forma que aparecerá un fading muy acusado sincrónico con el giro del Cubesat.

Figura 8: En la posición B el receptor RX ve las antenas girar de canto.

Ese momento en que  el Cubesat se encuentra en la posición B, entre el ecuador y nuestra latitud en el hemisferio Norte (entre 38-43º casi toda España)  tiene lugar en la primera mitad del pase ascendente de la figura 8 (B), de modo que habrá un buen intervalo  en el  que nosotros (el receptor) nos encontraremos más o menos contenidos en el plano de giro de las antenas y recibiremos su emisión por las puntas del dipolo, una vez por cada medio giro sobre sí mismo, con lo que empezaremos a sufrir desvanecimientos pronunciados y rítmicos (dipolo paralela y perpendicular sucesivamente) de la señal emitida por el satélite.

Creo que este es uno de los problemas que causan la diferencia de calidad de las dos partes del pase y no se me ocurre cómo podemos resolverlo, pues depende de la posición relativa entre el satélite y el observador, algo  que no podemos cambiar.

Pase ascendente

Cuando el pase es ascendente (ABCD),  ese momento clave de desvanecimiento se producirá principalmente antes de su pase por nuestra vertical. En consecuencia, la primera mitad del pase será peor que la segunda mitad, cuando ya se ha alejado el Cubesat más hacia el norte y estaremos muy alejados del plano de giro de la antena y la veremos girar perfectamente después de que el Cubesat pase por encima nuestro, de forma que la segunda mitad del pase será de mejor calidad.

Pase descendente

En cambio, cuando el pase sea descendente (DCBA), como nos encontramos en el hemisferio Norte a una latitud de casi 45º, la primera mitad del pase será excelente, mientras que la segunda mitad será mucho peor, pues nos encontraremos en esos momento inmersos muy cerca del plano del giro de la antena del satélite y veremos sus antenas  muchas veces de puntas hacia nosotros dos veces por cada  giro completo, después de que pase por encima nuestro y se dirija hacia el Ecuador y desaparezca por el horizonte.  De esta forma, la segunda mitad del pase será peor que la primera mitad.

Cubesat con auténtica polarización circular

Si el Cubesat dispone de dos dipolos cruzados y auténtica polarización circular, tendremos que tener en cuenta que durante medio pase tendremos la polarización circular favorable e idéntica a la nuestra y en la otra mitad del pase la tendremos contraria y será mucho peor  la recepción (Figura 9).  De todos modos, ahora por suerte no existe una posición en que el satélite nos enseñe solo puntas,  pues los dipolos cruzados de polarización circular no producen ningún problema de puntas. El diagrama de radiación de dos dipolos cruzados conectados en polarización circular es casi omnidireccional en 3D en el espacio libre y no se producirá ese fading por puntas descrito anteriormente cando dispone de un solo dipolo con polarización lineal giratoria.

 

Figura 9: Cambio de polarización circular en un pase.

Ya vimos en  el desafortunado  artículo anterior que el cambio de sentido de la polarización circular que se observa en las dos mitades del pase en la figura 9 puede resolverse en recepción con el uso de un conmutador de polarización circular (figura 2)  izquierda/derecha, en lugar de tener conectadas nuestras antenas con polarización circular fija.

¿Conclusiones?

Si las puntas producen el fading en la recepción de un Cubesat con un solo dipolo en el Cubesat y la falta de conmutador de sentido en la recepción  cuando el Cubeesat dispone de auténtica polarización circular y nosotros no podemos conmutarla, son la verdadera razón de la diferencia de comportamiento entre las dos partes en que puede dividirse el pase de un satélite, me daré por satisfecho por haber encontrado una explicación lógica.  

Si no fuera así, agradecería mucho que algún amable lector me corrigiera y perdonad si he enredado a alguno con mis propuestas de la conexión H + V, que ya habéis visto que he comprobado que no tiene sentido realizarla en absoluto.

Si alguien siguió el método propuesto por mí para implementarla provisionalmente, podrá revertir la antena muy fácilmente a la polarización circular, pues ahora si que estoy convencido de que es la mejor para la estación receptora media, aunque no tenga conmutador para cambiar el sentido de giro la polarización circular.

Y es curioso que resulte  que la polarización circular con dipolos cruzados no parece ser la mejor  opción para instalar en un Cubesat, si pensamos que la mayoría de estaciones que intentan trabajar los satélites no disponen del conmutador de polarización circular derecha/izquierda que permita compensar en recepción y también transmisión la diferencia de sentido de giro en las dos mitades del pase, mientras que la polarización mecánica giratoria con un solo dipolo parece resultar la más ventajosa, si tenemos en cuenta que es la que menos diferencias produce entre las dos mitades del pase para la estación media.

73 Luis EA3OG