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Polarizzazione dell'antenna: cos'è e perché è importante
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Ogni ingegnere elettronico sa che le antenne trasmettono e ricevono segnali sotto forma di onde elettromagnetiche (onde di energia elettromagnetica), le cui proprietà possono essere descritte dalle equazioni di Maxwell. Come molti argomenti tecnici specializzati, possiamo interpretare queste equazioni, insieme alle regole di propagazione e alle caratteristiche delle onde elettromagnetiche, da molteplici prospettive, che vanno da descrizioni qualitative relativamente semplici a formule matematiche complesse e articolate.
La polarizzazione è una delle numerose caratteristiche della propagazione dell'energia elettromagnetica. I suoi effetti e il grado in cui deve essere presa in considerazione variano ampiamente tra diversi scenari applicativi e i relativi progetti di antenna. I principi fondamentali della polarizzazione si applicano a tutte le radiazioni elettromagnetiche, inclusi i segnali a radiofrequenza (RF)/wireless e l'energia delle onde luminose, e la polarizzazione trova ampio impiego nel campo dell'ottica. Questo articolo tratta esclusivamente la banda di frequenza RF.
Che cos'è la polarizzazione dell'antenna?
Per comprendere la polarizzazione, è necessario prima acquisire le nozioni di base sulle onde elettromagnetiche. Un'onda elettromagnetica è costituita da un campo elettrico (campo E) e da un campo magnetico (campo H) che viaggiano nella stessa direzione. Il campo elettrico e il campo magnetico sono perpendicolari tra loro ed entrambi sono perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda piana.
La polarizzazione è definita come il piano di vibrazione del campo elettrico osservando dalla direzione dell'estremità trasmittente verso la direzione di propagazione dell'onda. Con polarizzazione orizzontale, il campo elettrico oscilla da un lato all'altro nel piano orizzontale; con polarizzazione verticale, il campo elettrico vibra verso l'alto e verso il basso nel piano verticale (vedere la Figura 1).
Figura 1: Onda elettromagnetica con componenti del campo elettrico e magnetico reciprocamente perpendicolari
Le antenne trasmittenti e riceventi formano una coppia di antenne e le prestazioni del ricetrasmettitore raggiungono il massimo quando le due condividono piani di polarizzazione identici. Come richiamo alla celebre frase del film del 1979 Alien—«Nello spazio nessuno può sentirti urlare»—non esiste alcuna distinzione intrinseca tra polarizzazione orizzontale e verticale nello spazio esterno. Anche così, le teorie dell'adattamento della polarizzazione e dell'allineamento delle antenne rimangono valide per massimizzare la trasmissione e la ricezione dell'energia del segnale.
Polarizzazione lineare e circolare
Le onde elettromagnetiche presentano molteplici modalità di polarizzazione:
- La polarizzazione lineare di base include due forme di polarizzazione reciprocamente ortogonali (perpendicolari) (vedere la Figura 2). In teoria, un'antenna ricevente polarizzata orizzontalmente non può catturare alcun segnale emesso da un'antenna trasmittente polarizzata verticalmente operante alla stessa frequenza, e viceversa. Quanto più vicini sono gli orientamenti di polarizzazione delle due antenne, tanto più forte sarà il segnale ricevuto; l'efficienza del trasferimento dell'energia del segnale raggiunge il massimo quando la polarizzazione è perfettamente adattata.
Figura 2: La polarizzazione lineare offre due forme di polarizzazione reciprocamente ortogonali
- La polarizzazione inclinata è una variante della polarizzazione lineare. Come la polarizzazione orizzontale e verticale standard, questa definizione si applica solo agli scenari terrestri. La polarizzazione inclinata forma un angolo di ±45° rispetto al piano orizzontale. Sebbene la polarizzazione inclinata sia fondamentalmente lineare, quando i professionisti del settore fanno riferimento alla «polarizzazione lineare», di solito intendono esclusivamente antenne a polarizzazione orizzontale o verticale.
- I segnali emessi o ricevuti dalle antenne a polarizzazione inclinata possono essere captati da antenne con polarizzazione esclusivamente orizzontale o verticale, sebbene con una certa perdita di segnale. Le antenne a polarizzazione inclinata sono ideali per casi d'uso in cui lo stato di polarizzazione di una o entrambe le antenne è sconosciuto, oppure la polarizzazione cambia durante il funzionamento.
- La polarizzazione circolare (CP) è più complessa della polarizzazione lineare. In questa modalità di polarizzazione, il vettore del campo elettrico ruota continuamente mentre il segnale si propaga. Osservando verso l'esterno dall'estremità trasmittente, la rotazione in senso orario del vettore del campo elettrico è chiamata polarizzazione circolare destrorsa (RHCP); la rotazione in senso antiorario è chiamata polarizzazione circolare sinistrorsa (LHCP) (vedere la Figura 3).
Figura 3: Il vettore del campo elettrico delle onde elettromagnetiche polarizzate circolarmente ruota, suddividendosi nei tipi destrorso e sinistrorso
I segnali polarizzati circolarmente sono formati dalla sovrapposizione di due onde elettromagnetiche ortogonali con uno sfasamento di 90°. Devono essere soddisfatti tre criteri per generare la polarizzazione circolare: il campo elettrico deve contenere due componenti ortogonali; i due componenti devono avere una differenza di fase di 90°; ed entrambi i componenti devono avere la stessa ampiezza. Le antenne elicoidali forniscono una soluzione semplice per generare onde polarizzate circolarmente.
- La polarizzazione ellittica (EP) è una derivazione della polarizzazione circolare. Come le onde polarizzate circolarmente, le onde polarizzate ellitticamente sono sintetizzate da due onde polarizzate linearmente. La polarizzazione ellittica si forma quando vengono sovrapposte due onde polarizzate linearmente reciprocamente perpendicolari con ampiezza diversa.
Il grado di disadattamento della polarizzazione tra due antenne è quantificato dal Fattore di Perdita di Polarizzazione (PLF), misurato in decibel (dB). Il suo valore è determinato dall'angolo di polarizzazione tra le antenne trasmittente e ricevente. In teoria, il PLF è uguale a 0 dB in condizioni di perfetto adattamento della polarizzazione (perdita nulla); se le due antenne sono completamente polarizzate ortogonalmente, il PLF tende all'infinito (attenuazione completa del segnale).
Nelle applicazioni reali, tuttavia, le antenne non possono ottenere una polarizzazione perfettamente adattata o completamente ortogonale. Il disallineamento meccanico dell'installazione, gli errori operativi umani, la distorsione del canale, le riflessioni multipath e altri fattori introducono tutti una deviazione angolare nella direzione di polarizzazione del campo elettrico trasmesso. Anche se due antenne sono progettate per la polarizzazione ortogonale, nella pratica si verifica comunque una perdita per polarizzazione incrociata da 10 a 30 dB o superiore. In alcuni scenari, questo segnale disperso è abbastanza forte da interferire con la demodulazione del segnale desiderato.
Al contrario, anche con una polarizzazione ideale e un allineamento preciso di due antenne, i fattori ambientali reali possono portare il PLF a 10 dB, 20 dB o valori superiori, degradando la ricezione del segnale. In parole semplici, la polarizzazione incrociata non intenzionale e gli elevati fattori di perdita di polarizzazione producono due effetti negativi: introducono segnali interferenti e attenuano la potenza del segnale utile desiderato.
Perché le caratteristiche della polarizzazione sono importanti
La polarizzazione segue una regola bidirezionale: quanto più allineati e coerenti sono i tipi di polarizzazione di due antenne, tanto maggiore sarà la potenza del segnale ricevuto. Al contrario, uno scarso adattamento della polarizzazione rende difficile sia ai ricevitori del segnale desiderato sia ai ricevitori di interferenza catturare segnali utilizzabili sufficienti. Nella maggior parte degli scenari, il canale wireless modifica lo stato di polarizzazione del segnale trasmesso, oppure uno o entrambi i ricetrasmettitori non possono mantenere un orientamento fisso e stazionario dell'antenna.
La scelta della modalità di polarizzazione è generalmente determinata dall'ambiente di installazione e dalle condizioni di propagazione atmosferica. Ad esempio, le antenne polarizzate orizzontalmente offrono migliori prestazioni del segnale e una polarizzazione più stabile quando sono montate vicino ai soffitti; al contrario, le antenne polarizzate verticalmente installate contro pareti laterali mostrano un comportamento di polarizzazione più vicino alle specifiche nominali del progetto.
Le comuni antenne dipolo (dipoli standard / dipoli ripiegati) operano con polarizzazione orizzontale nel montaggio convenzionale (vedere la Figura 4). Se necessario per adattarsi a una modalità di polarizzazione specifica, l'antenna può essere ruotata di 90° per passare alla polarizzazione verticale (vedere la Figura 5).
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Figura 4: Le antenne dipolo sono generalmente montate orizzontalmente sui pali per la polarizzazione orizzontale
SHAPE \* MERGEFORMAT
Figura 5: Le antenne dipolo possono essere installate verticalmente su pali per la polarizzazione verticale quando richiesto dall'applicazione
La polarizzazione verticale è ampiamente utilizzata nelle radio portatili walkie-talkie, come i dispositivi trasportati dal personale di soccorso d'emergenza. Questo perché la maggior parte delle antenne radio polarizzate verticalmente presenta schemi di radiazione omnidirezionali, il che significa che gli utenti non devono regolare nuovamente l'azimut dell'antenna anche quando l'orientamento del dispositivo portatile cambia continuamente.
La maggior parte delle antenne che operano nella banda ad alta frequenza (HF) da 3–30 MHz adottano semplici strutture di antenne a filo lungo tese orizzontalmente tra supporti. Le loro grandi dimensioni fisiche sono determinate dalla lunghezza d'onda corrispondente (10–100 metri), e tali antenne sono intrinsecamente polarizzate orizzontalmente.
Curiosamente, la banda fu denominata “Alta Frequenza” decenni fa, quando 30 MHz rientravano in un intervallo considerato ad alta frequenza. Sebbene oggi l'etichetta sembri obsoleta, rimane la denominazione ufficiale della banda definita dall'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU) ed è ancora utilizzata universalmente.
La banda delle onde medie (MW) copre da 300 kHz a 3 MHz. La polarizzazione scelta dalle stazioni di trasmissione in questa banda dipende dal fatto che la stazione si basi sulle onde di terra per una copertura del segnale forte a breve distanza o sulle onde celesti ionosferiche per la trasmissione a lunga distanza. Nel complesso, le antenne polarizzate verticalmente offrono una propagazione superiore delle onde di terra, mentre le antenne polarizzate orizzontalmente sono più adatte alle comunicazioni tramite onde celesti.
Le comunicazioni satellitari fanno ampio affidamento sulla polarizzazione circolare. I satelliti modificano costantemente il loro assetto rispetto alle stazioni terrestri e ad altri satelliti. L'efficienza della trasmissione del segnale raggiunge il massimo quando sia il lato trasmittente sia quello ricevente utilizzano antenne polarizzate circolarmente; l'abbinamento di antenne polarizzate linearmente con antenne polarizzate circolarmente è possibile, ma introduce un fattore di perdita di polarizzazione misurabile.
Le caratteristiche della polarizzazione sono altrettanto fondamentali per i sistemi 5G. Alcuni array di antenne MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) 5G sfruttano la tecnologia della polarizzazione per utilizzare le risorse dello spettro in modo più efficiente, aumentando le velocità di trasmissione. Ciò si ottiene combinando diverse modalità di polarizzazione dei segnali con il multiplexing spaziale delle antenne (diversità spaziale). Tali sistemi trasmettono due flussi di dati indipendenti simultaneamente, con ciascun flusso inviato ad antenne separate con polarizzazione reciprocamente ortogonale, consentendo al ricevitore di demodulare i due flussi separatamente. Sebbene fattori non ideali, tra cui percorsi di propagazione, distorsione del canale, riflessioni ed effetti multipath, introducano una lieve interferenza di cross-polarizzazione, i ricevitori la compensano internamente.
Conclusione
La polarizzazione è una caratteristica fondamentale ma spesso trascurata delle antenne. La polarizzazione lineare (incluse le varianti orizzontale e verticale), la polarizzazione inclinata, la polarizzazione circolare e la polarizzazione ellittica sono adatte ciascuna a specifici scenari applicativi. L'orientamento relativo e il grado di corrispondenza delle antenne alle estremità trasmittente e ricevente determinano direttamente le prestazioni complessive dell'intero collegamento RF. È disponibile sul mercato un'ampia varietà di antenne standard che coprono tutti i tipi di polarizzazione e le bande di frequenza RF, per fornire schemi di polarizzazione adattati a tutte le applicazioni target.
