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.
La propagazione dell'energia elettromagnetica presenta numerosi aspetti, tra cui la polarizzazione, che può avere un impatto o una rilevanza variabile nelle applicazioni e nella progettazione delle antenne. I principi fondamentali della polarizzazione si applicano a tutte le radiazioni elettromagnetiche, comprese le radiofrequenze/wireless e l'energia ottica, e sono spesso utilizzati nelle applicazioni ottiche.
Che cos'è la polarizzazione dell'antenna?
Prima di comprendere la polarizzazione, dobbiamo innanzitutto comprendere i principi di base delle onde elettromagnetiche. Queste onde sono composte da campi elettrici (campi E) e campi magnetici (campi H) e si propagano in un'unica 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 elettrico dal punto di vista del trasmettitore del segnale: per la polarizzazione orizzontale, il campo elettrico si muoverà lateralmente sul piano orizzontale, mentre per la polarizzazione verticale, il campo elettrico oscillerà verticalmente sul piano verticale (figura 1).
Figura 1: Le onde di energia elettromagnetica sono costituite da componenti di campo E e H mutuamente perpendicolari
Polarizzazione lineare e polarizzazione circolare
Le modalità di polarizzazione includono le seguenti:
Nella polarizzazione lineare di base, le due possibili polarizzazioni sono ortogonali (perpendicolari) tra loro (Figura 2). In teoria, un'antenna ricevente a polarizzazione orizzontale non "vedrà" un segnale proveniente da un'antenna a polarizzazione verticale e viceversa, anche se entrambe operano alla stessa frequenza. Quanto migliore è l'allineamento, tanto maggiore è il segnale catturato e il trasferimento di energia è massimizzato quando le polarizzazioni coincidono.
Figura 2: La polarizzazione lineare offre due opzioni di polarizzazione perpendicolari 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 è ad 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" si riferisce solitamente solo alle antenne a polarizzazione orizzontale o verticale.
Nonostante alcune perdite, i segnali inviati (o ricevuti) da un'antenna diagonale sono possibili anche con antenne a polarizzazione orizzontale o verticale. Le antenne a polarizzazione obliqua sono utili quando la polarizzazione di una o di 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 man mano che il segnale si propaga. Quando ruotata verso destra (guardando dal trasmettitore), la polarizzazione circolare è detta polarizzazione circolare destrorsa (RHCP); quando ruotata verso sinistra, polarizzazione circolare sinistrorsa (LHCP) (Figura 3).
Figura 3: Nella polarizzazione circolare, il vettore del campo E di un'onda elettromagnetica ruota; questa rotazione può essere destrorsa o sinistrorsa.
Un segnale CP è costituito da due onde ortogonali sfasate. Per generare un segnale CP sono necessarie tre condizioni: il campo elettrico deve essere composto da due componenti ortogonali; le due componenti devono essere sfasate di 90 gradi e avere la stessa ampiezza. Un modo semplice per generare un segnale CP è utilizzare un'antenna elicoidale.
La polarizzazione ellittica (EP) è un tipo di polarizzazione circolare (CP). Le onde a polarizzazione ellittica sono il risultato della combinazione di due onde a polarizzazione lineare, come le onde CP. Quando due onde a polarizzazione lineare mutuamente perpendicolari con ampiezze diverse vengono combinate, si produce un'onda a polarizzazione ellittica.
Il disallineamento di polarizzazione tra le antenne è descritto dal fattore di perdita di polarizzazione (PLF). Questo parametro è espresso in decibel (dB) ed è una 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 infinito dB (perdita infinita) per un'antenna perfettamente ortogonale.
In realtà, tuttavia, l'allineamento (o il disallineamento) della polarizzazione non è perfetto perché la posizione meccanica dell'antenna, il comportamento dell'utente, la distorsione del canale, le riflessioni multipath e altri fenomeni possono causare una certa distorsione angolare del campo elettromagnetico trasmesso. Inizialmente, si verificherà una "perdita" di segnale dovuta alla polarizzazione incrociata di 10-30 dB o più rispetto alla polarizzazione ortogonale, che in alcuni casi può essere sufficiente a interferire con il recupero del segnale desiderato.
Al contrario, la PLF effettiva 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 indesiderata e la PLF possono agire in entrambi i sensi, interferendo con il segnale desiderato o riducendone l'intensità.
Perché interessarsi alla polarizzazione?
La polarizzazione agisce in due modi: quanto più due antenne sono allineate e hanno la stessa polarizzazione, tanto migliore sarà l'intensità del segnale ricevuto. Al contrario, un cattivo allineamento della polarizzazione rende più difficile per i ricevitori, siano essi intenzionali o meno, 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 orientate in una direzione fissa e statica.
La scelta della polarizzazione da utilizzare è generalmente determinata dalle condizioni di installazione o atmosferiche. Ad esempio, un'antenna a polarizzazione orizzontale offrirà prestazioni migliori e manterrà la sua polarizzazione se installata vicino al soffitto; al contrario, un'antenna a polarizzazione verticale offrirà prestazioni migliori e manterrà la sua polarizzazione se installata vicino a una parete laterale.
L'antenna a dipolo (liscia o ripiegata), ampiamente utilizzata, è polarizzata orizzontalmente nel suo orientamento di montaggio "normale" (Figura 4) e viene spesso ruotata di 90 gradi per assumere la polarizzazione verticale quando necessario o per supportare una modalità di polarizzazione preferita (Figura 5).
Figura 4: Un'antenna a dipolo viene solitamente montata orizzontalmente sul suo palo per fornire polarizzazione orizzontale
Figura 5: Per applicazioni che richiedono polarizzazione verticale, l'antenna a dipolo può essere montata di conseguenza dove l'antenna cattura
La polarizzazione verticale è comunemente utilizzata nelle radio portatili, come quelle impiegate dai soccorritori, poiché molti modelli di antenne a polarizzazione verticale offrono anche un diagramma di radiazione omnidirezionale. Pertanto, tali antenne non necessitano di essere riorientate anche se cambia la direzione della radio e dell'antenna.
Le antenne ad alta frequenza (HF) da 3 a 30 MHz sono generalmente costituite da semplici fili lunghi tesi orizzontalmente tra staffe. La loro lunghezza è determinata dalla lunghezza d'onda (10-100 m). Questo tipo di antenna è naturalmente polarizzata orizzontalmente.
È opportuno precisare che la definizione di questa banda come "alta frequenza" risale a decenni fa, quando 30 MHz era effettivamente considerata alta frequenza. Sebbene questa definizione appaia ormai obsoleta, si tratta di una designazione ufficiale dell'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni ed è tuttora ampiamente utilizzata.
La polarizzazione preferita può essere determinata in due modi: utilizzando le onde di terra per una segnalazione a corto raggio più forte da parte delle apparecchiature di trasmissione che utilizzano la banda delle onde medie (MW) da 300 kHz a 3 MHz, oppure utilizzando le onde ionosferiche per distanze maggiori tramite il collegamento ionosferico. In generale, le antenne a polarizzazione verticale hanno una migliore propagazione delle onde di terra, mentre le antenne a polarizzazione orizzontale hanno prestazioni migliori con le onde ionosferiche.
La polarizzazione circolare è ampiamente utilizzata per i satelliti perché l'orientamento del satellite rispetto alle stazioni di terra e ad altri satelliti cambia costantemente. L'efficienza tra le antenne di trasmissione e ricezione è massima quando entrambe sono a polarizzazione circolare, ma è possibile utilizzare antenne a polarizzazione lineare con antenne a polarizzazione circolare, sebbene ciò comporti una perdita di polarizzazione.
Anche la polarizzazione è importante per i sistemi 5G. Alcuni array di antenne MIMO (Multiple-Input/Multiple-Output) 5G raggiungono una maggiore velocità di trasmissione utilizzando la polarizzazione per sfruttare in modo più efficiente lo spettro disponibile. Ciò si ottiene combinando diverse polarizzazioni del segnale e la multiplazione spaziale delle antenne (diversità spaziale).
Il sistema è in grado di trasmettere due flussi di dati poiché questi sono collegati da antenne indipendenti a polarizzazione ortogonale e possono essere recuperati separatamente. Anche in presenza di polarizzazione incrociata dovuta a distorsioni del percorso e del canale, riflessioni, multipath e altre imperfezioni, il ricevitore utilizza algoritmi sofisticati per recuperare ciascun segnale originale, ottenendo bassi tassi di errore di bit (BER) e, in definitiva, un migliore utilizzo dello spettro.
Insomma
La polarizzazione è una proprietà importante delle antenne che viene spesso trascurata. La polarizzazione lineare (incluse quella orizzontale e verticale), la polarizzazione obliqua, la polarizzazione circolare e la polarizzazione ellittica sono utilizzate per diverse applicazioni. La gamma di prestazioni RF end-to-end che un'antenna può raggiungere dipende dal suo orientamento e allineamento relativi. Le antenne standard hanno diverse polarizzazioni e sono adatte a diverse parti dello spettro, fornendo la polarizzazione preferita per l'applicazione di destinazione.
Prodotti consigliati:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametri | Tipico | Unità |
| Gamma di frequenza | 20-30 | GHz |
| Guadagno | 15 tipi. | dBi |
| VSWR | 1.3 Tip. | |
| Polarizzazione | Doppio Lineare | |
| Isolamento di polarizzazione incrociata | 60 Tip. | dB |
| Isolamento delle porte | 70 Tip. | dB |
| Connettore | SMA-Ffemmina | |
| Materiale | Al | |
| Finitura | Colore | |
| Misurare(L*P*A) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Peso | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Articolo | Specifiche | Unità |
| Gamma di frequenza | 1-18 | GHz |
| Guadagno | 10 Tip. | dBi |
| VSWR | 1,5 tip. | |
| Polarizzazione | Lineare | |
| Isolamento Cross Po. | 30 Tip. | dB |
| Connettore | SMA-Femmina | |
| Finitura | Pnon | |
| Materiale | Al | |
| Misurare(L*P*A) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Peso | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Parametri | Tipico | Unità |
| Gamma di frequenza | 2-18 | GHz |
| Guadagno | 15 tipi. | dBi |
| VSWR | 1,5 tip. |
|
| Polarizzazione | Doppio Lineare |
|
| Isolamento di polarizzazione incrociata | 40 | dB |
| Isolamento delle porte | 40 | dB |
| Connettore | SMA-F |
|
| Trattamento superficiale | Pnon |
|
| Misurare(L*P*A) | 276*147*147(±5) | mm |
| Peso | 0,945 | kg |
| Materiale | Al |
|
| Temperatura di esercizio | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Parametri | Tipico | Unità |
| Gamma di frequenza | 93-95 | GHz |
| Guadagno | 22 Tip. | dBi |
| VSWR | 1.3 Tip. |
|
| Polarizzazione | Doppio Lineare |
|
| Isolamento di polarizzazione incrociata | 60 Tip. | dB |
| Isolamento delle porte | 67 Tip. | dB |
| Connettore | WR10 |
|
| Materiale | Cu |
|
| Finitura | D'oro |
|
| Misurare(L*P*A) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Peso | 0,015 | kg |
Data di pubblicazione: 11 aprile 2024
