La polarizzazione è una delle caratteristiche fondamentali delle antenne. Innanzitutto, dobbiamo comprendere la polarizzazione delle onde piane. Successivamente, possiamo discutere i principali tipi di polarizzazione delle antenne.
polarizzazione lineare
Inizieremo a comprendere la polarizzazione di un'onda elettromagnetica piana.
Un'onda elettromagnetica (EM) planare presenta diverse caratteristiche. La prima è che la potenza si propaga in una sola direzione (nessuna variazione di campo in due direzioni ortogonali). In secondo luogo, il campo elettrico e il campo magnetico sono perpendicolari tra loro e ortogonali tra loro. I campi elettrico e magnetico sono perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda piana. Ad esempio, si consideri un campo elettrico a singola frequenza (campo E) dato dall'equazione (1). Il campo elettromagnetico si propaga nella direzione +z. Il campo elettrico è diretto nella direzione +x. Il campo magnetico è nella direzione +y.
Nell'equazione (1), si osservi la notazione: . Questo è un vettore unitario (un vettore di lunghezza), che indica che il punto del campo elettrico è nella direzione x. L'onda piana è illustrata in Figura 1.
figura 1. Rappresentazione grafica del campo elettrico che viaggia nella direzione +z.
La polarizzazione è la traccia e la forma di propagazione (contorno) di un campo elettrico. A titolo di esempio, si consideri l'equazione del campo elettrico in un'onda piana (1). Osserveremo la posizione in cui il campo elettrico è (X,Y,Z) = (0,0,0) in funzione del tempo. L'ampiezza di questo campo è rappresentata graficamente in Figura 2, in diversi istanti temporali. Il campo oscilla alla frequenza "F".
figura 2. Osservare il campo elettrico (X, Y, Z) = (0,0,0) in momenti diversi.
Il campo elettrico si osserva nell'origine, oscillando avanti e indietro in ampiezza. Il campo elettrico è sempre lungo l'asse x indicato. Poiché il campo elettrico è mantenuto lungo una singola linea, questo campo può essere detto polarizzato linearmente. Inoltre, se l'asse x è parallelo al terreno, questo campo è anche detto polarizzato orizzontalmente. Se il campo è orientato lungo l'asse y, l'onda può essere detta polarizzata verticalmente.
Le onde polarizzate linearmente non devono necessariamente essere dirette lungo un asse orizzontale o verticale. Ad esempio, un'onda di campo elettrico con un vincolo che giace lungo una linea, come mostrato in Figura 3, sarebbe anch'essa polarizzata linearmente.
immagine 3. L'ampiezza del campo elettrico di un'onda polarizzata linearmente la cui traiettoria è un angolo.
Il campo elettrico in Figura 3 può essere descritto dall'equazione (2). Ora c'è una componente x e una y del campo elettrico. Entrambe le componenti hanno la stessa ampiezza.
Un aspetto da notare riguardo all'equazione (2) è la componente xy e i campi elettronici nel secondo stadio. Ciò significa che entrambe le componenti hanno sempre la stessa ampiezza.
polarizzazione circolare
Supponiamo ora che il campo elettrico di un'onda piana sia dato dall'equazione (3):
In questo caso, gli elementi X e Y sono sfasati di 90 gradi. Se il campo viene osservato nuovamente come (X, Y, Z) = (0,0,0) come in precedenza, la curva campo elettrico in funzione del tempo apparirà come mostrato nella Figura 4.
Figura 4. Intensità del campo elettrico (X, Y, Z) = (0,0,0) dominio EQ. (3).
Il campo elettrico in Figura 4 ruota in cerchio. Questo tipo di campo è descritto come un'onda polarizzata circolarmente. Per la polarizzazione circolare, devono essere soddisfatti i seguenti criteri:
- Standard per la polarizzazione circolare
- Il campo elettrico deve avere due componenti ortogonali (perpendicolari).
- Le componenti ortogonali del campo elettrico devono avere ampiezze uguali.
- Le componenti in quadratura devono essere sfasate di 90 gradi.
Se si viaggia sullo schermo della Figura 4, la rotazione del campo è detta antioraria e polarizzata circolarmente a destra (RHCP). Se il campo ruota in senso orario, sarà polarizzato circolarmente a sinistra (LHCP).
Polarizzazione ellittica
Se il campo elettrico ha due componenti perpendicolari, sfasate di 90 gradi ma di uguale intensità, il campo sarà polarizzato ellitticamente. Considerando il campo elettrico di un'onda piana che viaggia nella direzione +z, descritto dall'equazione (4):
Il luogo del punto in cui assumerà la punta del vettore del campo elettrico è dato nella Figura 5
Figura 5. Campo elettrico dell'onda di polarizzazione ellittica immediata. (4).
Il campo in Figura 5, che si muove in senso antiorario, sarebbe ellittico destrorso se si propagasse fuori dallo schermo. Se il vettore del campo elettrico ruotasse nella direzione opposta, il campo sarebbe polarizzato ellitticamente sinistrorso.
Inoltre, la polarizzazione ellittica si riferisce alla sua eccentricità. Il rapporto tra eccentricità e ampiezza degli assi maggiore e minore. Ad esempio, l'eccentricità dell'onda dall'equazione (4) è 1/0,3 = 3,33. Le onde polarizzate ellitticamente sono ulteriormente descritte dalla direzione dell'asse maggiore. L'equazione d'onda (4) ha un asse costituito principalmente dall'asse x. Si noti che l'asse maggiore può formare qualsiasi angolo piano. L'angolo non è necessario che si adatti agli assi X, Y o Z. Infine, è importante notare che sia la polarizzazione circolare che quella lineare sono casi speciali di polarizzazione ellittica. Un'onda polarizzata ellitticamente eccentrica 1,0 è un'onda polarizzata circolarmente. Onde polarizzate ellitticamente con eccentricità infinita. Onde polarizzate linearmente.
Polarizzazione dell'antenna
Ora che conosciamo i campi elettromagnetici delle onde piane polarizzate, possiamo definire in modo semplice la polarizzazione di un'antenna.
Polarizzazione dell'antenna: una valutazione del campo lontano dell'antenna, ovvero la polarizzazione del campo irradiato risultante. Pertanto, le antenne sono spesso classificate come "polarizzate linearmente" o "polarizzate circolarmente destrorse".
Questo semplice concetto è importante per le comunicazioni tramite antenna. Innanzitutto, un'antenna polarizzata orizzontalmente non comunicherà con un'antenna polarizzata verticalmente. A causa del teorema di reciprocità, l'antenna trasmette e riceve esattamente allo stesso modo. Pertanto, le antenne polarizzate verticalmente trasmettono e ricevono campi polarizzati verticalmente. Pertanto, se si tenta di trasmettere un'antenna polarizzata verticalmente e orizzontalmente, non ci sarà ricezione.
Nel caso generale, per due antenne polarizzate linearmente e ruotate l'una rispetto all'altra di un angolo ( ), la perdita di potenza dovuta a questa discrepanza di polarizzazione sarà descritta dal fattore di perdita di polarizzazione (PLF):
Pertanto, se due antenne hanno la stessa polarizzazione, l'angolo tra i loro campi elettronici radianti è zero e non si verifica alcuna perdita di potenza dovuta a disallineamento della polarizzazione. Se un'antenna è polarizzata verticalmente e l'altra è polarizzata orizzontalmente, l'angolo è di 90 gradi e non verrà trasferita potenza.
NOTA: Muovere il telefono sopra la testa con diverse angolazioni spiega perché a volte la ricezione può essere migliorata. Le antenne dei cellulari sono solitamente polarizzate linearmente, quindi ruotare il telefono può spesso adattare la polarizzazione del telefono, migliorando così la ricezione.
La polarizzazione circolare è una caratteristica desiderabile di molte antenne. Entrambe le antenne sono polarizzate circolarmente e non subiscono perdite di segnale dovute a disallineamento della polarizzazione. Le antenne utilizzate nei sistemi GPS sono polarizzate circolarmente destrorse.
Supponiamo ora che un'antenna a polarizzazione lineare riceva onde a polarizzazione circolare. Equivalentemente, supponiamo che un'antenna a polarizzazione circolare tenti di ricevere onde a polarizzazione lineare. Qual è il fattore di perdita di polarizzazione risultante?
Ricordiamo che la polarizzazione circolare è in realtà costituita da due onde ortogonali polarizzate linearmente, sfasate di 90 gradi. Pertanto, un'antenna a polarizzazione lineare (LP) riceverà solo la componente di fase dell'onda a polarizzazione circolare (CP). Di conseguenza, l'antenna LP avrà una perdita per disadattamento di polarizzazione di 0,5 (-3 dB). Questo è vero indipendentemente dall'angolo di rotazione dell'antenna LP. Pertanto:
Il fattore di perdita di polarizzazione è talvolta chiamato efficienza di polarizzazione, fattore di disadattamento dell'antenna o fattore di ricezione dell'antenna. Tutti questi nomi si riferiscono allo stesso concetto.
Data di pubblicazione: 22 dicembre 2023
