notizia
Polarizzazione dell'antenna: cos'è e perché è importante
Tempo di lettura stimato: 15 minuti
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 notevolmente a seconda dei diversi scenari applicativi e dei relativi progetti delle antenne. 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 solo la banda di frequenza RF.
Cos'è la polarizzazione dell'antenna?
Per comprendere la polarizzazione, è necessario innanzitutto padroneggiare le nozioni di base delle 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 e sono entrambi perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda piana.
La polarizzazione è definita come il piano di vibrazione del campo elettrico osservando dall'estremità trasmittente verso la direzione di propagazione dell'onda. Nella polarizzazione orizzontale, il campo elettrico oscilla da un lato all'altro all'interno del piano orizzontale; nella polarizzazione verticale, il campo elettrico vibra verso l'alto e verso il basso all'interno del 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 una 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). Teoricamente, un'antenna ricevente polarizzata orizzontalmente non può acquisire alcun segnale emesso da un'antenna trasmittente polarizzata verticalmente che opera 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 con 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 quando 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°. Per generare la polarizzazione circolare devono essere soddisfatti tre criteri: il campo elettrico deve contenere due componenti ortogonali; le due componenti devono avere una differenza di fase di 90°; ed entrambe le 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 due onde polarizzate linearmente reciprocamente perpendicolari con ampiezza diversa vengono sovrapposte.
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. Teoricamente, il PLF è uguale a 0 dB in caso di adattamento perfetto 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 raggiungere una polarizzazione perfettamente adattata o completamente ortogonale. Il disallineamento dell'installazione meccanica, 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 una polarizzazione ortogonale, nella pratica si verifica comunque una dispersione di 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 indesiderata e gli elevati fattori di perdita di polarizzazione producono due effetti negativi: introducono segnali interferenti e attenuano la potenza del segnale utile target.
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, un cattivo adattamento della polarizzazione rende difficile sia ai ricevitori target sia ai ricevitori di interferenza acquisire 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 della polarizzazione più vicino alle specifiche nominali di progetto.
Le comuni antenne a dipolo (dipoli standard / dipoli ripiegati) funzionano con polarizzazione orizzontale in condizioni di montaggio convenzionali (vedere la Figura 4). Se necessario per adattarsi a una specifica modalità di polarizzazione, l'antenna può essere ruotata di 90° per passare alla polarizzazione verticale (vedere la Figura 5).
FORMA \* UNISCI FORMATO
Figura 4: Le antenne a dipolo sono generalmente montate orizzontalmente su pali per la polarizzazione orizzontale
FORMA \* MERGEFORMAT
Figura 5: Le antenne a dipolo possono essere installate verticalmente su pali per la polarizzazione verticale quando richiesto dall'applicazione
La polarizzazione verticale è ampiamente utilizzata nei ricetrasmettitori portatili, come i dispositivi trasportati dal personale di soccorso in emergenza. Questo perché la maggior parte delle antenne radio polarizzate verticalmente presenta diagrammi di radiazione omnidirezionali, ovvero 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) di 3–30 MHz adottano semplici strutture di antenne a filo lungo tese orizzontalmente tra supporti. Le loro grandi dimensioni fisiche sono determinate dalla corrispondente lunghezza d'onda (10–100 metri), e tali antenne sono intrinsecamente polarizzate orizzontalmente.
Curiosamente, la banda è stata denominata “Alta frequenza” decenni fa, quando 30 MHz rientrava in un intervallo considerato ad alta frequenza. Sebbene oggi l'etichetta sembri superata, rimane la designazione ufficiale della banda definita dall'Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (ITU) ed è ancora utilizzata universalmente.
La banda delle onde medie (MW) si estende da 300 kHz a 3 MHz. La polarizzazione scelta dalle stazioni di trasmissione in questa banda dipende dal fatto che la stazione si affidi alle onde di terra per una copertura a corto raggio con segnale forte o alle onde spaziali 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 spaziali.
Le comunicazioni satellitari si affidano fortemente alla 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 di polarizzazione sono altrettanto importanti per i sistemi 5G. Alcuni array di antenne Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) 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 simultaneamente due flussi di dati indipendenti, 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 attenuano internamente.
Conclusione
La polarizzazione è una caratteristica delle antenne fondamentale ma frequentemente trascurata. La polarizzazione lineare (incluse le varianti orizzontale e verticale), la polarizzazione inclinata, la polarizzazione circolare e la polarizzazione ellittica sono ciascuna adatte 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 in commercio 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.
