Polarizzazione dell'antenna: cos'è e perché è importante

Gli ingegneri elettronici sanno che le antenne irradiano e catturano segnali sotto forma di onde di energia elettromagnetica (EM), le cui caratteristiche sono stabilite dalle equazioni di Maxwell. Come per molti altri argomenti, queste equazioni - insieme alla propagazione e agli attributi dell'EM - possono essere esaminate a vari livelli, da valutazioni relativamente qualitativi a equazioni complesse.

La polarizzazione è uno dei molti aspetti di propagazione dell'energia elettromagnetica che possono avere livelli variabili di impatto o di attenzione necessaria in un'applicazione e nel progetto della sua antenna. I suoi principi base si applicano a tutta la radiazione EM, comprese RF/wireless ed energia ottica, e spesso la polarizzazione trova impiego nelle applicazioni ottiche. Qui prenderemo in esame le radiofrequenze.

Che cosa è la polarizzazione dell'antenna?

Per capire la polarizzazione bisogna partire dai principi base delle onde elettromagnetiche. Queste onde sono costituite da un campo elettrico (campo E) e da un campo magnetico (campo H) che viaggiano in un'unica direzione. Il campo E e quello H sono perpendicolari tra loro e anche rispetto alla direzione lungo la quale si propaga l'onda piana.

La polarizzazione si riferisce al piano del campo E visto dalla prospettiva del trasmettitore del segnale: per la polarizzazione orizzontale, il campo elettrico si muoverà lateralmente su un piano orizzontale, mentre per la polarizzazione verticale oscillerà in su e in giù su un piano verticale (Figura 1).

Figura 1: Un'onda di energia elettromagnetica è costituita dalle componenti del campo E e del campo orizzontale ad angolo retto tra loro. (Immagine per gentile concessione di Electronics-Notes)

Una coppia di antenne di trasmissione e ricezione lavora al meglio quando la loro polarizzazione è sullo stesso piano. Ovviamente, come "nello spazio nessuno può sentirti urlare" (con le dovute scuse per la citazione dal famoso film del 1979 Alien), è vero anche che nello spazio non esiste né un piano orizzontale né uno verticale. Ciononostante, il concetto di polarizzazione e di allineamento delle antenne per il massimo trasferimento e la massima acquisizione dell'energia del segnale rimane valido.

Polarizzazione lineare e circolare

Esistono diverse modalità di polarizzazione:

• Secondo la polarizzazione lineare base, le due polarizzazioni possibili sono ortogonali (ad angoli retti) tra loro (Figura 2). In teoria, un'antenna ricevente con polarizzazione orizzontale non "vedrebbe" un segnale proveniente da un'altra con polarizzazione verticale e viceversa, nemmeno se le due operassero alla stessa frequenza. Più il loro allineamento è vicino, maggiore è la parte del segnale catturata e il trasferimento massimo di energia avviene quando le polarizzazioni sono abbinate.

Figura 2: La polarizzazione lineare permette di scegliere due polarizzazioni ad angoli retti tra loro. (Immagine per gentile concessione di Mimosa Networks, Inc.)

• La polarizzazione inclinata di un'antenna è una variante di quella lineare. Come per la polarizzazione orizzontale e quella verticale di base, significa qualcosa solo in un contesto terrestre. La polarizzazione inclinata è a ±45 gradi da un piano di riferimento orizzontale. Sebbene di fatto si tratti semplicemente di un'altra forma di polarizzazione lineare, il termine "lineare" in genere si riferisce solo alle antenne che sono polarizzate in orizzontale o in verticale.

Un segnale inviato (o ricevuto) da un'antenna inclinata potrà essere utilizzato con un'antenna polarizzata solo in orizzontale o in verticale, anche se con una qualche perdita. Un'antenna polarizzata inclinata è utile quando la polarizzazione di una o di entrambe le antenne non è nota o cambia durante l'uso.

• La polarizzazione circolare (CP) è più complessa di quella lineare. In questa modalità, la polarizzazione rappresentata dal vettore del campo E ruota man mano che il segnale si propaga. Quando ruota verso destra, guardando dal trasmettitore, è detta polarizzazione circolare verso destra (RHCP); quando ruota a sinistra è detta polarizzazione circolare verso sinistra (LHCP) (Figura 3).

Figura 3: Nella polarizzazione circolare, il vettore del campo E dell'onda EM ruota; questa rotazione può essere verso destra o verso sinistra. (Immagine per gentile concessione di JEM Engineering)

Un segnale CP è costituito da due onde ortogonali fuori fase. Per crearlo servono tre condizioni. Il campo E deve avere due componenti ortogonali; devono essere di 90 gradi fuori fase e avere pari grandezza. Un modo semplice per creare una CP consiste nell'usare un'antenna elicoidale.

• La polarizzazione ellittica (EP) è una variante della CP. Le onde polarizzate ellitticamente sono un guadagno generato da due onde polarizzate linearmente, come quelle CP. Quando si combinano due onde polarizzate linearmente che sono reciprocamente perpendicolari e hanno ampiezza diversa, si produce l'onda polarizzata ellitticamente.

La discrepanza di polarizzazione tra le antenne è caratterizzata dal fattore di perdita della polarizzazione (PLF). Questo parametro è espresso in decibel (dB) e dipende dalla differenza angolare tra l'antenna di trasmissione e quella di ricezione. In teoria, il PLF può andare da 0 dB (nessuna perdita) nel caso di antenne allineate in modo perfetto a dB infiniti (perdita infinita) nel caso di antenne perfettamente ortogonali.

In pratica, tuttavia, l'allineamento (o l'errato allineamento) della polarizzazione non è perfetto, dato che la posizione meccanica delle antenne, le azioni dell'utente, la distorsione del canale, le riflessioni multipercorso e altri fenomeni causano una certa binatura angolare del campo EM trasmesso. Inizialmente, le polarizzazioni ortogonali possono avere una "perdita" di polarizzazione incrociata tra 10 e 30 dB o più, il che in alcuni casi può essere sufficiente per interferire con il recupero del segnale desiderato.

Per contro, due antenne con la polarizzazione e l'allineamento ideali potrebbero avere un PLF effettivo di 10, 20 o più dB, a seconda delle specificità della situazione, il che potrebbe impedire il recupero del segnale. In altre parole, la polarizzazione incrociata inintenzionale e il PLF operano in entrambi i modi interferendo con il segnale desiderato o riducendone la forza.

Perché preoccuparsi della polarizzazione?

La polarizzazione opera in due modi: più le due antenne sono allineate vicine e hanno la stessa polarizzazione, migliore sarà la forza del segnale ricevuto. Al contrario, una polarizzazione non allineata in modo ottimale può rendere più difficile a un ricevitore desiderato o indesiderato catturare un segnale utile sufficiente. In molti casi, il "canale" distorce la polarizzazione trasmessa, oppure una o entrambe le antenne non hanno un orientamento fisso, statico.

La scelta di quale polarizzazione usare, in genere dipende dall'installazione o dalle condizioni atmosferiche. Ad esempio, un'antenna polarizzata orizzontalmente avrà delle prestazioni migliori e manterrà la sua polarizzazione quando è montata vicino a un soffitto; una polarizzata verticalmente, invece, ha prestazioni di polarizzazione più vicine a quelle nominali quando viene montata vicino a una parete laterale.

La diffusa antenna a dipolo (normale o ripiegata) è polarizzata in orizzontale nel suo "normale" orientamento di montaggio (Figura 4) e spesso è ruotata di 90 gradi per presentare una polarizzazione verticale se richiesto o per supportare una modalità di polarizzazione preferita (Figura 5).

Figura 4: Un'antenna a dipolo in genere è montata in orizzontale sulla propria asta per fornire una polarizzazione orizzontale. (Immagine per gentile concessione di KAC Radio)

Figura 5: Per le applicazioni in cui è richiesta la polarizzazione verticale, l'antenna a dipolo può essere montata di conseguenza sull'asta. (Immagine per gentile concessione di Progressive Concepts)

La polarizzazione verticale viene spesso usata per le radio mobili portatili, come quelle in uso nei pronto soccorso perché molti progetti di antenne radio polarizzate verticalmente forniscono anche un diagramma di irraggiamento omnidirezionale. Di conseguenza, queste antenne non devono essere riorientate nemmeno se cambia l'orientamento di radio e antenna.

Le antenne per la banda dell'alta frequenza (HF) tra 3 e 30 MHz spesso sono dei semplici fili lunghi tesi in orizzontale tra dei supporti. Questa lunghezza dipende dalla lunghezza d'onda (da 10 a 100 metri). Queste antenne sono naturalmente polarizzate orizzontalmente.

È interessante notare che l'uso della designazione "alta frequenza" per questa banda è stato stabilito diversi decenni fa quando 30 MHz era un'alta frequenza. Anche se questa caratterizzazione ora potrebbe sembrare arcaica, si tratta di una designazione ufficiale dell'International Telecommunications Union ancora ampiamente utilizzata.

La polarizzazione preferita può dipendere anche dal tipo di onde utilizzate dall'emittente nella banda delle onde medie (MW) tra 300 kHz e 3 MHz: onde di terra per una propagazione del segnale e più forte e a distanze ravvicinate, oppure onde di cielo tramite la ionosfera per collegamenti su lunghe distanze. In genere, la propagazione delle onde di terra è migliore con un'antenna polarizzata verticalmente, mentre le prestazioni delle onde del cielo sono migliori con la polarizzazione orizzontale.

La polarizzazione circolare è ampiamente usata con i satelliti, dato che il loro orientamento rispetto alla stazione a terra e ad altri satelliti cambia continuamente. La massima efficienza tra le antenne trasmittenti e quelle riceventi si ha quando entrambe sono polarizzate circolarmente, ma un'antenna polarizzata linearmente può essere usata assieme a una CP, con un certo fattore di perdita di polarizzazione.

La polarizzazione è importante anche per i sistemi 5G. Alcuni array di antenne 5G a ingressi e uscite multiple (MIMO) raggiungono un throughput più elevato grazie a un uso più efficiente dello spettro disponibile tramite la polarizzazione. Questo risultato lo si ottiene combinando la polarizzazione di diversi segnali e la multiplazione spaziale (diversità spaziale) delle antenne.

Il sistema può trasmettere due flussi di dati, poiché sono collegati ad antenne separate con polarizzazioni ortogonali che possono essere recuperate in modo indipendente. Anche se c'è una certa polarizzazione incrociata dovuta alla distorsione del percorso e del canale, riflessioni, multipercorso e altre imperfezioni, algoritmi sofisticati sul ricevitore possono recuperare comunque ogni segnale originale per produrre un tasso degli errori di bit (BER) basso, migliorando l'utilizzo dello spettro.

Le antenne standard offrono opzioni di polarizzazione

Si potrebbe presumere che la polarizzazione sia un problema solo con antenne grandi, montate su un palo e molto visibili, ma non è così. Ad esempio, la PCTel BOAH515905NM è un'antenna Wi-Fi polarizzata orizzontalmente da usare tra 5,1 GHz e 5,9 GHz, pensata principalmente per punti di accesso all'aperto 802.11 (Figura 6).

Figura 6: L'antenna Wi-Fi polarizzata orizzontalmente PCTel BOAH515905NM è studiata per fornire un punto di accesso all'aperto per una connettività Wi-Fi tra 5,1 GHz e 5,9 GHz (802.11 ac). (Immagine per gentile concessione di PCTel)

L'antenna completamente impermeabile con grado di protezione IP67 è alloggiata in un radome in plastica rinforzata bianco stabile agli ultravioletti (UV) che include un connettore per montaggio a pannello integrale di tipo N (sono disponibili versioni maschio e femmina). Misura 3,20 cm di diametro esterno per 16,1 cm di lunghezza, offre un guadagno nominale di 5 dBi e ha un rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione inferiore a 2:1 su tutta la banda designata.

La polarizzazione può essere progettata anche in antenne molto più piccole. Il modello PC140.07.0100A di Taoglas è un'antenna a polarizzazione circolare a 2,45 GHz (nominali) per applicazioni ISM (industriali, scientifiche e medicali), Bluetooth e Wi-Fi (Figura 7).

Figura 7: Questa minuscola antenna PC140.07.0100A di Taoglas è studiata per essere incorporata in un involucro assieme al circuito stampato del sistema. (Immagine per gentile concessione di Taoglas)

Questa minuscola antenna da 50 ohm (Ω), di appena 57 × 57 mmq e 0,97 mm di spessore, ha un cavo coassiale di 1,13 mm di diametro, 100 mm di lunghezza ed è terminata da un connettore IPEX standard a montaggio superficiale da 50 Ω saldato direttamente alla scheda del circuito stampato. L'antenna è realizzata con il materiale della scheda del circuito stampato FR-4 e viene montata facilmente grazie al suo adesivo integrato.

Il diagramma d'irradiazione di questa antenna è estremamente omnidirezionale, come visto dalla distribuzione dell'irradiazione X-Y e X-Z (Figura 8). Il suo ROS in tensione è inferiore a 2:1 e la sua efficienza è attorno al 60% sulla banda operativa tra 2,4 e 2,5 GHz.

Figura 8: La distribuzione dell'irradiazione dell'antenna PC140.07.0100A di Taoglas mostrano la sua natura discretamente omnidirezionale su entrambi i piani X-Y (sinistra) e X-Z (destra). (Immagine per gentile concessione di Taoglas)

Conclusione

La polarizzazione è un importante attributo delle antenne che spesso viene trascurato. Le polarizzazioni lineare (sia orizzontale che verticale), inclinata, circolare ed ellittica sono usate in applicazioni diverse. Offrono intervalli di prestazioni RF end-to-end a seconda del loro orientamento e allineamento relativi. Le antenne standard sono disponibili con diverse polarizzazioni e per gamme diverse dello spettro, offrendo la polarizzazione preferita per l'applicazione target.

Contenuto correlato

1: Come soddisfare le reti sia legacy sia IoT wireless 5G con antenne a banda larga

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-cater-to-both-legacy-and-5g-wireless-iot-networks-using-wideband-antennas

2: Oltre i fili: le antenne si evolvono e si adattano per soddisfare le esigenze dei collegamenti wireless

https://www.digikey.com/en/blog/beyond-wires-antennas-evolve-and-adapt

3: Utilizzare le PIFA per risolvere il dilemma prodotto piccolo, antenna più piccola

https://www.digikey.com/en/blog/use-pifas-to-solve-the-small-product-smaller-antenna-dilemma

4: Antenne: progettazione, applicazione e prestazioni

https://www.digikey.com/en/articles/antennas-design-application-and-performance

5: Antenne: l'anello critico per reti wireless ad alta velocità

https://www.digikey.com/en/articles/antennas-the-critical-link-for-high-speed-wireless-networks

6: Un'antenna bilanciata ibrida multibanda

https://www.digikey.com/en/articles/a-multi-band-hybrid-balanced-antenna

7: Selezione di antenne per progetti embedded

https://www.digikey.com/en/articles/selecting-antennas-for-embedded-designs

8: Misurazioni di campo in grandi spazi aperti

https://www.digikey.com/en/articles/range-measurements-in-an-open-field-environment

Riferimenti

1: JEM Engineering, "Intro to Antenna Polarization"

https://jemengineering.com/blog-intro-to-antenna-polarization/

2: Mimosa Networks, Inc., "Antenna Polarization Basics"

https://mimosa.co/white-papers/antenna-polarization

3: Mimosa Networks, Inc., "Demystifying Antenna Polarizations"

https://mimosa.co/white-papers/antenna-polarization-2

4: Electronics-Notes, "Antenna Polarization"

https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/antenna-theory/polarisation-polarization.php

5: Antenna-theory.com, "Polarization of Plane Waves"

https://www.antenna-theory.com/basics/polarization.php

6: Electronics Desk, "Antenna Polarization"

https://electronicsdesk.com/antenna-polarization.html

https://www.mpantenna.com/antenna-polarization-explained/

7: MP Antenna, Ltd., "Antenna Polarization Explained"

https://www.mpantenna.com/antenna-polarization-explained/