La polarizzazione è una delle caratteristiche fondamentali delle antenne. Innanzitutto, è necessario comprendere la polarizzazione delle onde piane. Successivamente, potremo analizzare i principali tipi di polarizzazione delle antenne.
polarizzazione lineare
Cominceremo a comprendere la polarizzazione di un'onda elettromagnetica piana.
Un'onda elettromagnetica (EM) piana presenta diverse caratteristiche. La prima è che la potenza si propaga in una sola direzione (non vi sono variazioni di campo in due direzioni ortogonali). In secondo luogo, il campo elettrico e il campo magnetico sono perpendicolari 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 frequenza singola (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 nella Figura 1.
Figura 1. Rappresentazione grafica del campo elettrico che si propaga nella direzione +z.
La polarizzazione è la forma della traccia e della propagazione (contorno) di un campo elettrico. Ad esempio, si consideri l'equazione del campo elettrico di 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 nella Figura 2, in diversi istanti di tempo. Il campo oscilla alla frequenza "F".
Figura 2. Osservare il campo elettrico (X, Y, Z) = (0,0,0) in diversi istanti di tempo.
Il campo elettrico viene osservato nell'origine, con un'ampiezza che oscilla avanti e indietro. Il campo elettrico è sempre diretto lungo l'asse x indicato. Poiché il campo elettrico si mantiene lungo un'unica linea, si può dire che è polarizzato linearmente. Inoltre, se l'asse x è parallelo al terreno, il campo è anche descritto come polarizzato orizzontalmente. Se il campo è orientato lungo l'asse y, si può dire che l'onda è 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. Ampiezza del campo elettrico di un'onda polarizzata linearmente la cui traiettoria forma un angolo.
Il campo elettrico nella Figura 3 può essere descritto dall'equazione (2). Ora ci sono una componente x e una componente y del campo elettrico. Entrambe le componenti sono di uguale intensità.
Una cosa da notare riguardo all'equazione (2) è la componente xy e i campi elettronici nella seconda fase. Ciò significa che entrambe le componenti hanno la stessa ampiezza in ogni istante.
polarizzazione circolare
Ora supponiamo 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 come (X, Y, Z) = (0,0,0) di nuovo come prima, la curva del campo elettrico in funzione del tempo apparirà come mostrato di seguito nella Figura 4.
Figura 4. Intensità del campo elettrico (X, Y, Z) = dominio EQ (0,0,0). (3).
Il campo elettrico nella Figura 4 ruota in cerchio. Questo tipo di campo è descritto come un'onda a polarizzazione circolare. 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 dell'onda, si dice che la rotazione del campo è antioraria e a polarizzazione circolare destrorsa (RHCP). Se il campo ruota in senso orario, la polarizzazione del campo sarà a polarizzazione circolare sinistrorsa (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 si propaga nella direzione +z, descritta dall'equazione (4):
Il luogo geometrico del punto in cui si troverà la punta del vettore del campo elettrico è indicato nella Figura 5
Figura 5. Campo elettrico dell'onda di polarizzazione ellittica immediata. (4).
Il campo nella Figura 5, che si propaga in senso antiorario, sarebbe ellittico destrorso se uscisse dallo schermo. Se il vettore del campo elettrico ruota nella direzione opposta, il campo sarà polarizzato ellitticamente sinistrorso.
Inoltre, la polarizzazione ellittica si riferisce alla sua eccentricità. Il rapporto tra l'eccentricità e l'ampiezza degli assi maggiore e minore. Ad esempio, l'eccentricità dell'onda dall'equazione (4) è 1/0,3 = 3,33. Le onde a polarizzazione ellittica 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 trovarsi a qualsiasi angolo del piano. L'angolo non deve necessariamente corrispondere all'asse X, Y o Z. Infine, è importante notare che sia la polarizzazione circolare che quella lineare sono casi speciali di polarizzazione ellittica. Un'onda a polarizzazione ellittica con eccentricità 1,0 è un'onda a polarizzazione circolare. Onde a polarizzazione ellittica con eccentricità infinita. Onde a polarizzazione lineare.
Polarizzazione dell'antenna
Ora che siamo a conoscenza dei campi elettromagnetici a onda piana polarizzata, la polarizzazione di un'antenna è facilmente definibile.
Polarizzazione dell'antenna: una valutazione del campo lontano dell'antenna, ovvero la polarizzazione del campo irradiato risultante. Pertanto, le antenne vengono spesso classificate come "a polarizzazione lineare" o "a polarizzazione circolare destrorsa".
Questo semplice concetto è importante per le comunicazioni tramite antenne. Innanzitutto, un'antenna a polarizzazione orizzontale non può comunicare con un'antenna a polarizzazione verticale. In base al teorema di reciprocità, le antenne trasmettono e ricevono esattamente nello stesso modo. Pertanto, le antenne a polarizzazione verticale trasmettono e ricevono campi a polarizzazione verticale. Di conseguenza, se si tenta di trasmettere un segnale da un'antenna a polarizzazione verticale a un'antenna a polarizzazione orizzontale, non ci sarà alcuna ricezione.
Nel caso generale, per due antenne a polarizzazione lineare ruotate l'una rispetto all'altra di un angolo ( ), la perdita di potenza dovuta a questo disallineamento 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 di elettroni radianti è zero e non vi è alcuna perdita di potenza dovuta al disallineamento di polarizzazione. Se un'antenna è polarizzata verticalmente e l'altra orizzontalmente, l'angolo è di 90 gradi e non verrà trasferita alcuna potenza.
NOTA: Muovere il telefono sopra la testa con diverse angolazioni spiega perché a volte la ricezione può migliorare. Le antenne dei telefoni cellulari sono generalmente a polarizzazione lineare, quindi ruotare il telefono può spesso adattarne la polarizzazione, migliorando così la ricezione.
La polarizzazione circolare è una caratteristica desiderabile per molte antenne. Entrambe le antenne sono a polarizzazione circolare e non subiscono perdite di segnale dovute a disadattamento di polarizzazione. Le antenne utilizzate nei sistemi GPS sono a polarizzazione circolare destrorsa.
Supponiamo ora che un'antenna a polarizzazione lineare riceva onde a polarizzazione circolare. In modo equivalente, 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 polarizzate linearmente ortogonalmente, 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 viene talvolta indicato come 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
