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, uno dei quali è la polarizzazione, che può avere diversi gradi di impatto o criticità nelle applicazioni e nella progettazione delle relative antenne. I principi fondamentali della polarizzazione si applicano a tutte le radiazioni elettromagnetiche, comprese quelle RF/wireless e ottiche, e sono spesso utilizzati in applicazioni ottiche.
Cos'è la polarizzazione dell'antenna?
Prima di comprendere la polarizzazione, dobbiamo innanzitutto comprendere i principi fondamentali 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 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 verso l'alto e verso il basso 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 operano alla stessa frequenza. Migliore è l'allineamento, maggiore è il segnale catturato e il trasferimento di energia è 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 ambiente terrestre. La polarizzazione obliqua presenta 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 realizzabili 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 elettrico ruota durante la propagazione del segnale. Quando ruotata verso destra (guardando fuori dal trasmettitore), la polarizzazione circolare è chiamata 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 costituito da due componenti ortogonali; le due componenti devono essere sfasate di 90 gradi e di uguale 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 e reciprocamente perpendicolari con ampiezze diverse vengono combinate, si produce 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 le antenne trasmittenti e riceventi. Teoricamente, il PLF può variare da 0 dB (nessuna perdita) per un'antenna perfettamente allineata a dB infiniti (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 "dispersione" di segnale di 10-30 dB o più dovuta alla 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 agire in entrambi i sensi, interferendo con il segnale desiderato o riducendone l'intensità.
Perché preoccuparsi della polarizzazione?
La polarizzazione funziona in due modi: più due antenne sono allineate e hanno la stessa polarizzazione, maggiore è l'intensità del segnale ricevuto. Al contrario, un allineamento di polarizzazione scadente rende più difficile per i ricevitori, 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 solitamente determinata dall'installazione o dalle condizioni 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 le sue prestazioni di polarizzazione se installata vicino a una parete laterale.
L'antenna dipolo ampiamente utilizzata (semplice o piegata) è polarizzata orizzontalmente nel suo orientamento di montaggio "normale" (Figura 4) e spesso viene 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 dipolo è solitamente montata orizzontalmente sul suo albero per fornire polarizzazione orizzontale
Figura 5: Per le applicazioni che richiedono la polarizzazione verticale, l'antenna dipolo può essere montata di conseguenza nel punto in cui l'antenna intercetta
La polarizzazione verticale è comunemente utilizzata per le radio mobili portatili, come quelle utilizzate dai soccorritori, poiché molti modelli di antenne radio a polarizzazione verticale 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 in genere costituite da semplici fili lunghi, legati orizzontalmente tra staffe. La loro lunghezza è determinata dalla lunghezza d'onda (10-100 m). Questo tipo di antenna è naturalmente polarizzata orizzontalmente.
Vale la pena notare che il termine "alta frequenza" con cui si fa riferimento a questa banda risale a decenni fa, quando 30 MHz era effettivamente alta frequenza. Sebbene questa descrizione sembri ormai obsoleta, è 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 di terra per una segnalazione più potente a corto raggio da parte di apparecchiature di trasmissione che utilizzano la banda delle onde medie (MW) da 300 kHz a 3 MHz, oppure utilizzando le onde celesti per distanze maggiori attraverso il collegamento ionosferico. In generale, le antenne a polarizzazione verticale offrono una migliore propagazione delle onde di terra, mentre le antenne a polarizzazione orizzontale offrono migliori prestazioni nelle onde celesti.
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 ricezione è maggiore quando entrambe sono polarizzate circolarmente, ma è possibile utilizzare antenne a polarizzazione lineare con antenne CP, sebbene vi sia un fattore di perdita dovuto alla polarizzazione.
Anche la polarizzazione è importante per i sistemi 5G. Alcuni array di antenne 5G MIMO (multiple-input/multiple-output) raggiungono una maggiore capacità di trasmissione utilizzando la polarizzazione per utilizzare in modo più efficiente lo spettro disponibile. Questo risultato si ottiene combinando diverse polarizzazioni del segnale e il multiplexing spaziale delle antenne (diversità spaziale).
Il sistema può trasmettere due flussi di dati poiché sono collegati da antenne indipendenti polarizzate ortogonalmente e possono essere recuperati in modo indipendente. Anche in caso di polarizzazione incrociata dovuta a distorsioni di percorso e di canale, riflessioni, multipath e altre imperfezioni, il ricevitore utilizza algoritmi sofisticati per recuperare ciascun segnale originale, con conseguenti bassi tassi di errore di bit (BER) e, in definitiva, un migliore utilizzo dello spettro.
Insomma
La polarizzazione è una proprietà importante delle antenne, spesso trascurata. La polarizzazione lineare (sia orizzontale che verticale), la polarizzazione obliqua, la polarizzazione circolare e la polarizzazione ellittica vengono utilizzate per diverse applicazioni. L'intervallo di prestazioni RF end-to-end che un'antenna può raggiungere dipende dal suo orientamento e allineamento relativi. Le antenne standard presentano diverse polarizzazioni e sono adatte a diverse parti dello spettro, fornendo la polarizzazione preferita per l'applicazione target.
Prodotti consigliati:
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Parametri | Tipico | Unità |
| Gamma di frequenza | 20-30 | Gigahertz |
| Guadagno | 15 Tipico | dBi |
| ROS (Rapporto di Resistenza al Rumore) | 1.3 Tipico | |
| Polarizzazione | Doppio Lineare | |
| Isolamento polare incrociato | 60 Tipico | dB |
| Isolamento della porta | 70 Tipico | dB |
| Connettore | SMA-Fdonna | |
| Materiale | Al | |
| Finitura | Colore | |
| Misurare(L*P*A) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Peso | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Articolo | Specificazione | Unità |
| Gamma di frequenza | 1-18 | Gigahertz |
| Guadagno | 10 Tipico | dBi |
| ROS (Rapporto di Resistenza al Rumore) | 1,5 Tip. | |
| Polarizzazione | Lineare | |
| Isolamento incrociato Po. | 30 Tipico | dB |
| Connettore | SMA-femmina | |
| Finitura | Pnon è | |
| 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 | Gigahertz |
| Guadagno | 15 Tipico | dBi |
| ROS (Rapporto di Resistenza al Rumore) | 1,5 Tip. |
|
| Polarizzazione | Doppio Lineare |
|
| Isolamento polare incrociato | 40 | dB |
| Isolamento della porta | 40 | dB |
| Connettore | SMA-F |
|
| Trattamento superficiale | Pnon è |
|
| 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 | Gigahertz |
| Guadagno | 22 Tipico | dBi |
| ROS (Rapporto di Resistenza al Rumore) | 1.3 Tipico |
|
| Polarizzazione | Doppio Lineare |
|
| Isolamento polare incrociato | 60 Tipico | dB |
| Isolamento della porta | 67 Tipico | 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
