Gli ingegneri elettronici sanno che le antenne inviano e ricevono segnali sotto forma di onde di energia elettromagnetica (EM) descritte dalle equazioni di Maxwell.Come per molti argomenti, queste equazioni e le proprietà di propagazione dell'elettromagnetismo possono essere studiate a diversi livelli, da termini relativamente qualitativi a equazioni complesse.
Esistono molti aspetti legati alla propagazione dell'energia elettromagnetica, uno dei quali è la polarizzazione, che può avere vari gradi di impatto o preoccupazione nelle applicazioni e nella progettazione delle antenne.I principi di base della polarizzazione si applicano a tutte le radiazioni elettromagnetiche, inclusa l'energia ottica RF/wireless, e sono spesso utilizzati nelle applicazioni ottiche.
Cos'è la polarizzazione dell'antenna?
Prima di comprendere la polarizzazione, dobbiamo prima comprendere i principi di base delle onde elettromagnetiche.Queste onde sono composte da campi elettrici (campi E) e campi magnetici (campi H) e si muovono in una direzione.I campi E e H sono perpendicolari tra loro e alla direzione di propagazione dell'onda piana.
La polarizzazione si riferisce al piano del campo E dalla prospettiva del trasmettitore del segnale: per la polarizzazione orizzontale, il campo elettrico si sposterà lateralmente sul piano orizzontale, mentre per la polarizzazione verticale, il campo elettrico oscillerà su e giù sul piano verticale.( Figura 1).
Figura 1: Le onde di energia elettromagnetica sono costituite da componenti di campo E e H reciprocamente perpendicolari
Polarizzazione lineare e polarizzazione circolare
Le modalità di polarizzazione includono quanto segue:
Nella polarizzazione lineare di base, le due possibili polarizzazioni sono ortogonali (perpendicolari) tra loro (Figura 2).In teoria, un'antenna ricevente polarizzata orizzontalmente non "vedrà" un segnale proveniente da un'antenna polarizzata verticalmente e viceversa, anche se entrambe funzionano alla stessa frequenza.Migliore è l'allineamento, maggiore è la quantità di segnale catturato e il trasferimento di energia viene massimizzato quando le polarizzazioni corrispondono.
Figura 2: La polarizzazione lineare fornisce due opzioni di polarizzazione ad angolo retto tra loro
La polarizzazione obliqua dell'antenna è un tipo di polarizzazione lineare.Come la polarizzazione orizzontale e verticale di base, questa polarizzazione ha senso solo in un ambiente terrestre.La polarizzazione obliqua ha un angolo di ±45 gradi rispetto al piano di riferimento orizzontale.Sebbene questa sia in realtà solo un'altra forma di polarizzazione lineare, il termine "lineare" di solito si riferisce solo ad antenne polarizzate orizzontalmente o verticalmente.
Nonostante alcune perdite, i segnali inviati (o ricevuti) da un'antenna diagonale sono fattibili solo con antenne polarizzate orizzontalmente o verticalmente.Le antenne polarizzate obliquamente sono utili quando la polarizzazione di una o entrambe le antenne è sconosciuta o cambia durante l'uso.
La polarizzazione circolare (CP) è più complessa della polarizzazione lineare.In questa modalità, la polarizzazione rappresentata dal vettore del campo E ruota mentre il segnale si propaga.Quando ruotata verso destra (guardando fuori dal trasmettitore), la polarizzazione circolare è chiamata polarizzazione circolare destrorsa (RHCP);quando ruotato verso sinistra, polarizzazione circolare mancina (LHCP) (Figura 3)
Figura 3: Nella polarizzazione circolare, il vettore del campo E di un'onda elettromagnetica ruota;questa rotazione può essere destrorsa o mancina
Un segnale CP è costituito da due onde ortogonali sfasate.Sono necessarie tre condizioni per generare un segnale CP.Il campo E deve essere costituito da due componenti ortogonali;le due componenti devono essere sfasate di 90 gradi e uguali in ampiezza.Un modo semplice per generare CP è utilizzare un'antenna elicoidale.
La polarizzazione ellittica (EP) è un tipo di CP.Le onde polarizzate ellitticamente sono il guadagno prodotto da due onde polarizzate linearmente, come le onde CP.Quando due onde polarizzate linearmente tra loro perpendicolari con ampiezze diverse vengono combinate, viene prodotta un'onda polarizzata ellitticamente.
Il disadattamento di polarizzazione tra le antenne è descritto dal fattore di perdita di polarizzazione (PLF).Questo parametro è espresso in decibel (dB) ed è funzione della differenza di angolo di polarizzazione tra l'antenna trasmittente e quella ricevente.Teoricamente, il PLF può variare da 0 dB (nessuna perdita) per un'antenna perfettamente allineata a infiniti dB (perdita infinita) per un'antenna perfettamente ortogonale.
In realtà, tuttavia, l'allineamento (o disallineamento) della polarizzazione non è perfetto perché la posizione meccanica dell'antenna, il comportamento dell'utente, la distorsione del canale, le riflessioni multipercorso e altri fenomeni possono causare una certa distorsione angolare del campo elettromagnetico trasmesso.Inizialmente, ci saranno 10 - 30 dB o più di "perdita" di polarizzazione incrociata del segnale dalla polarizzazione ortogonale, che in alcuni casi potrebbe essere sufficiente a interferire con il recupero del segnale desiderato.
Al contrario, il PLF effettivo per due antenne allineate con polarizzazione ideale può essere di 10 dB, 20 dB o superiore, a seconda delle circostanze, e può ostacolare il recupero del segnale.In altre parole, la polarizzazione incrociata involontaria e il PLF possono funzionare in entrambe le direzioni interferendo con il segnale desiderato o riducendo la potenza del segnale desiderato.
Perché preoccuparsi della polarizzazione?
La polarizzazione funziona in due modi: più le due antenne sono allineate e hanno la stessa polarizzazione, migliore è la forza del segnale ricevuto.Al contrario, uno scarso allineamento della polarizzazione rende più difficile per i ricevitori, desiderati o insoddisfatti, catturare una quantità sufficiente del segnale di interesse.In molti casi il "canale" distorce la polarizzazione trasmessa oppure una o entrambe le antenne non sono in una direzione statica fissa.
La scelta di quale polarizzazione utilizzare è solitamente determinata dall'installazione o dalle condizioni atmosferiche.Ad esempio, un'antenna polarizzata orizzontalmente funzionerà meglio e manterrà la sua polarizzazione se installata vicino al soffitto;al contrario, un'antenna polarizzata verticalmente funzionerà meglio e manterrà le sue prestazioni di polarizzazione se installata vicino a una parete laterale.
L'antenna a dipolo ampiamente utilizzata (semplice o piegata) è polarizzata orizzontalmente nel suo orientamento di montaggio "normale" (Figura 4) e viene spesso ruotata di 90 gradi per assumere la polarizzazione verticale quando richiesto o per supportare una modalità di polarizzazione preferita (Figura 5).
Figura 4: Un'antenna a dipolo è solitamente montata orizzontalmente sul suo palo per fornire la polarizzazione orizzontale
Figura 5: Per le applicazioni che richiedono la polarizzazione verticale, l'antenna a dipolo può essere montata di conseguenza nel punto in cui si aggancia l'antenna
La polarizzazione verticale è comunemente utilizzata per le radio mobili portatili, come quelle utilizzate dai primi soccorritori, poiché molti modelli di antenne radio polarizzate verticalmente forniscono anche un diagramma di radiazione omnidirezionale.Pertanto, tali antenne non devono essere riorientate anche se la direzione della radio e dell'antenna cambia.
Le antenne ad alta frequenza (HF) da 3 a 30 MHz sono generalmente costruite come semplici fili lunghi legati insieme orizzontalmente tra staffe.La sua lunghezza è determinata dalla lunghezza d'onda (10 - 100 m).Questo tipo di antenna è naturalmente polarizzata orizzontalmente.
Vale la pena notare che il riferimento a questa banda come "alta frequenza" è iniziato decenni fa, quando 30 MHz erano effettivamente alta frequenza.Sebbene questa descrizione sembri ormai superata, si tratta di una designazione ufficiale dell'Unione internazionale delle telecomunicazioni ed è ancora ampiamente utilizzata.
La polarizzazione preferita può essere determinata in due modi: utilizzando le onde terrestri per segnali a corto raggio più forti da parte di apparecchiature di trasmissione che utilizzano la banda delle onde medie (MW) da 300 kHz - 3 MHz, oppure utilizzando le onde del cielo per distanze maggiori attraverso il collegamento ionosferico.In generale, le antenne polarizzate verticalmente hanno una migliore propagazione delle onde terrestri, mentre le antenne polarizzate orizzontalmente hanno prestazioni migliori delle onde del cielo.
La polarizzazione circolare è ampiamente utilizzata per i satelliti perché l'orientamento del satellite rispetto alle stazioni terrestri e agli altri satelliti cambia costantemente.L'efficienza tra le antenne di trasmissione e di ricezione è maggiore quando entrambe sono polarizzate circolarmente, ma le antenne polarizzate linearmente possono essere utilizzate con le antenne CP, sebbene vi sia un fattore di perdita di polarizzazione.
La polarizzazione è importante anche per i sistemi 5G.Alcuni array di antenne 5G a ingressi multipli/uscite multiple (MIMO) raggiungono una maggiore produttività utilizzando la polarizzazione per utilizzare in modo più efficiente lo spettro disponibile.Ciò si ottiene utilizzando una combinazione di diverse polarizzazioni del segnale e multiplexing spaziale delle antenne (diversità spaziale).
Il sistema può trasmettere due flussi di dati perché i flussi di dati sono collegati da antenne polarizzate ortogonalmente indipendenti e possono essere recuperati in modo indipendente.Anche se esiste una polarizzazione incrociata dovuta a distorsione del percorso e del canale, riflessioni, multipercorso e altre imperfezioni, il ricevitore impiega sofisticati algoritmi per recuperare ciascun segnale originale, con conseguente basso tasso di errore di bit (BER) e, in definitiva, un migliore utilizzo dello spettro.
Insomma
La polarizzazione è una proprietà importante dell'antenna che spesso viene trascurata.La polarizzazione lineare (compresa quella orizzontale e verticale), la polarizzazione obliqua, la polarizzazione circolare e la polarizzazione ellittica vengono utilizzate per diverse applicazioni.La gamma di prestazioni RF end-to-end che un'antenna può ottenere dipende dal suo orientamento e allineamento relativi.Le antenne standard hanno polarizzazioni diverse e sono adatte a diverse parti dello spettro, fornendo la polarizzazione preferita per l'applicazione target.
Prodotti consigliati:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametri | Tipico | Unità |
| Intervallo di frequenze | 20-30 | GHz |
| Guadagno | 15 tip. | dBi |
| VROS | 1.3 Tip. | |
| Polarizzazione | Doppio Lineare | |
| Croce Pol.Isolamento | 60 tip. | dB |
| Isolamento del porto | 70 tip. | dB |
| Connettore | SMA-Ffemmina | |
| Materiale | Al | |
| Finitura | Colore | |
| Misurare(L*L*A) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Peso | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Articolo | Specifica | Unità |
| Intervallo di frequenze | 1-18 | GHz |
| Guadagno | 10 tip. | dBi |
| VROS | 1,5 tip. | |
| Polarizzazione | Lineare | |
| Croce Po.Isolamento | 30 tip. | dB |
| Connettore | SMA-Femmina | |
| Finitura | Pnon è | |
| Materiale | Al | |
| Misurare(L*L*A) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Peso | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parametri | Tipico | Unità |
| Intervallo di frequenze | 2-18 | GHz |
| Guadagno | 15 tip. | dBi |
| VROS | 1,5 tip. |
|
| Polarizzazione | Doppio Lineare |
|
| Croce Pol.Isolamento | 40 | dB |
| Isolamento del porto | 40 | dB |
| Connettore | SMA-F |
|
| Trattamento della superficie | Pnon è |
|
| Misurare(L*L*A) | 276*147*147(±5) | mm |
| Peso | 0,945 | kg |
| Materiale | Al |
|
| temperatura di esercizio | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parametri | Tipico | Unità |
| Intervallo di frequenze | 93-95 | GHz |
| Guadagno | 22 tip. | dBi |
| VROS | 1.3 Tip. |
|
| Polarizzazione | Doppio Lineare |
|
| Croce Pol.Isolamento | 60 tip. | dB |
| Isolamento del porto | 67 tip. | dB |
| Connettore | WR10 |
|
| Materiale | Cu |
|
| Finitura | D'oro |
|
| Misurare(L*L*A) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Peso | 0,015 | kg |
Orario di pubblicazione: 11 aprile 2024
