I. Caratteristiche di base delle onde radio

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1.1 Definizione di onde radio

Le onde radio fungono da trasportatori di segnali ed energia, generati dall'accoppiamento reciproco di campi elettrici e magnetici oscillanti, aderendo alla legge dell'accoppiamento alternato secondo cui "l'elettricità genera magnetismo e il magnetismo genera elettricità". Durante la propagazione, i campi elettrico e magnetico sono sempre perpendicolari tra loro ed entrambi perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda, rendendole **onde elettromagnetiche trasversali (onde TEM)**.

La loro generazione ha origine da circuiti oscillanti ad alta frequenza: quando la corrente in un circuito varia rapidamente nel tempo, nello spazio circostante viene eccitato un campo elettromagnetico alternato. Una volta che questo campo elettromagnetico si stacca dalla sorgente dell'onda, si propaga nello spazio sotto forma di onde radio, senza dipendere da alcun mezzo: possono trasmettersi persino nel vuoto.

1.2 Relazione tra lunghezza d'onda, frequenza e velocità di propagazione

La formula fondamentale che regola la relazione tra la lunghezza d'onda (λ), la frequenza (f) delle onde radio e la loro velocità di propagazione (velocità della luce \( C \) nel vuoto, approssimativamente \( 3×10^8 \, \text{m/s} \)) è:

\[ \lambda = \frac{C}{f} \]

**Conclusione chiave**: Nello stesso mezzo, frequenza e lunghezza d'onda sono strettamente inversamente proporzionali: maggiore è la frequenza, minore è la lunghezza d'onda. Questa relazione determina direttamente le dimensioni di progettazione delle antenne: ad esempio, la lunghezza d'onda di un Wi-Fi a 2,4 GHz il segnale è di circa 12,5 cm, corrispondente ad una lunghezza dell'antenna dipolo a semionda di circa 6,25 cm; per un 700 MHz Segnale di comunicazione a bassa frequenza: la lunghezza d'onda è di circa 42,8 cm, il che richiede una lunghezza di dipolo a semionda di 21,4 cm. Inoltre, le prestazioni elettriche di un'antenna (come efficienza di radiazione, guadagno e impedenza) sono direttamente correlate alla sua **lunghezza elettrica** (il rapporto tra lunghezza fisica e lunghezza d'onda). Nell'ingegneria pratica, la lunghezza elettrica richiesta deve essere convertita nella lunghezza fisica specifica per garantire il corretto funzionamento dell'antenna.

1.3 Polarizzazione delle onde radio

La polarizzazione si riferisce alla legge di variazione della direzione del campo elettrico durante la propagazione di un'onda radio, determinata dalla traiettoria del moto spaziale del vettore del campo elettrico, formando uno spettro completo: **Polarizzazione circolare ← Polarizzazione ellittica → Polarizzazione lineare**. Le caratteristiche principali e gli scenari applicativi delle tre sono i seguenti:

- **Polarizzazione lineare**: la direzione del campo elettrico rimane fissa, ed è la forma di polarizzazione più comunemente utilizzata. Un'onda con un campo elettrico perpendicolare al terreno è un'**onda polarizzata verticalmente**, che presenta una forte resistenza alle interferenze di riflessione del terreno ed è adatta alle comunicazioni mobili terrestri (ad esempio, le tradizionali stazioni base 2G/3G); un'onda con un campo elettrico parallelo al terreno è un'**onda polarizzata orizzontalmente**, comunemente utilizzata nelle trasmissioni radiotelevisive, nelle comunicazioni a microonde e in altri scenari.

- **Polarizzazione circolare**: la traiettoria del vettore del campo elettrico è circolare, divisa in **polarizzazione circolare sinistra** e **polarizzazione circolare destra**, che si escludono a vicenda (un'antenna sinistra può ricevere solo onde polarizzate circolarmente a sinistra e viceversa). Il suo vantaggio principale è la forte resistenza alle interferenze multipath e alla torsione di polarizzazione, che la rende ampiamente utilizzata nelle comunicazioni satellitari (ad esempio, Beidou , GPS satelliti), controllo remoto di veicoli aerei senza pilota (UAV) e altri scenari.

- **Polarizzazione ellittica**: la traiettoria del vettore del campo elettrico è ellittica, la forma generale di polarizzazione: la polarizzazione circolare si verifica quando gli assi maggiore e minore dell'ellisse sono uguali, mentre la polarizzazione lineare si verifica quando l'asse minore si avvicina allo zero. Negli ambienti di comunicazione reali, a causa di riflessioni multipath, occlusione di ostacoli e altri fattori, le onde polarizzate puramente lineari o circolari vengono spesso convertite in onde polarizzate ellitticamente.

1.4 Propagazione multipercorso

Durante la propagazione, le onde radio, oltre alle onde dirette, subiscono riflessione, diffrazione e trasmissione quando incontrano ostacoli come colline, foreste ed edifici, con il risultato che il terminale ricevente riceve simultaneamente onde radio multi-path, un fenomeno noto come **propagazione multi-path**. I suoi impatti principali includono: (1) Complicazione della distribuzione dell'intensità del segnale, causando "shadow fading" e "fast fading" e portando a gravi fluttuazioni dell'intensità del segnale all'estremità ricevente; (2) Alterazione della direzione di polarizzazione dell'onda radio, con conseguente disallineamento della polarizzazione e riduzione dell'intensità del segnale ricevuto; (3) Generazione di delay spread (la differenza di tempo tra i segnali che arrivano attraverso percorsi diversi), causando interferenza intersimbolica; (4) Causa sovrapposizione locale del segnale (potenziamento) o cancellazione (indebolimento, a seconda della relazione tra differenza di percorso e lunghezza d'onda). Ad esempio, nelle aree urbane densamente popolate, le riflessioni degli edifici generano un gran numero di segnali multi-path, portando a frequenti fluttuazioni dell'intensità del segnale ricevuto dai telefoni cellulari.

La soluzione principale a questo problema è la **tecnologia di ricezione diversity**, che riceve e combina segnali multi-percorso per mitigare le interferenze. Si divide in due categorie:

1. **Diversità spaziale**: utilizza più antenne a polarizzazione singola con una disposizione spaziale ragionevole (spaziatura superiore a 10 volte la lunghezza d'onda) per ricevere segnali attraverso percorsi diversi. Adatto a scenari con requisiti di bassa polarizzazione.

2. **Diversità di polarizzazione**: sfrutta le caratteristiche ortogonali delle antenne a doppia polarizzazione per ricevere simultaneamente due segnali polarizzati verticalmente (ad esempio, +45°/-45°). Grazie alla bassa correlazione dei segnali, l'uscita combinata migliora significativamente l'affidabilità della ricezione, rendendola la soluzione più diffusa per le attuali applicazioni. 5G stazioni base.

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