Se consideriamo un’onda piana, emessa da qualsiasi tipo di antenna radiante
a conduttori filari o del tipo ottico per le microonde, il campo elettrico
ed il campo magnetico in un punto, sono perpendicolari
fra loro.
Nei sistemi radio, le sorgenti sono sostanzialmente monocromatiche,
il campo elettrico e magnetico sono funzioni sinusoidali del tempo, di
frequenza uguale a quella della corrente che circola sull’antenna.
Per convenzione, la direzione lungo la quale il campo elettrico oscilla
durante la propagazione dell’onda, è chiamata polarizzazione
dell’onda elettromagnetica.
Se, ad esempio, utilizziamo come radiatore il semplice dipolo e lo
collochiamo fisicamente in posizione orizzontale, H, il vettore
del campo elettrico sarà orizzontale, mentre il vettore del campo magnetico
avrà direzione verticale, V, viceversa se il dipolo è collocato
verticalmente.
In un collegamento in visibilità ottica, senza fenomeni di riflessione1,
l’onda elettromagnetica arriva all’antenna ricevente con la stessa polarizzazione
trasmessa. Per massimizzare l’ampiezza del segnale all’uscita dell’antenna
ricevente è fondamentale che abbia la stessa polarizzazione dell’antenna
trasmittente e che rimanga orientata in modo fisso2. In
pratica delle infinite posizioni su 360° dell’asse del dipolo radiante, per
evidente comodità di installazione, sono utilizzati due soli piani di polarizzazione:
H e V.
Dagli anni Sessanta ed in quasi tutti i collegamenti del tipo satellitare
tipicamente nelle bande C, K, X Ka, Ku, e nei radar dove non si è in grado
di mantenere lo stesso orientamento relativo tra l’antenna del veicolo
spaziale o non si conosce la polarizzazione dell’antenna di terra, è usata
la polarizzazione circolare. Sistemi di satelliti: a bassa e media
orbita, militari in banda x, Geo Telecom, GPS, radar, reti Lan
WI-FI, sono esempi di sistemi radio dove è usata la polarizzazione circolare.
La polarizzazione circolare si ottiene componendo le due oscillazioni,
correlate fra loro (unica sorgente) e sfasate di 90° su due antenne H e
V fisicamente ortogonali.
Il segnale proveniente dal trasmettitore, Tx, è diviso in due a parti
uguali tramite uno splitter. Un segnale alimenta un’antenna polarizzata
sul piano V e l’altro, ritardato di 90° da uno sfasatore, alimenta
con la stessa ampiezza una seconda antenna, avente le stesse caratteristiche
elettriche della prima, polarizzata sul piano H. Il campo elettrico risultante
sarà un vettore unitario che ruota e si trasla in modo circolare orario
o antiorario a secondo che le due oscillazioni siano sfasate di ± 90°.
Se chiamiamo Ex, Ey i campi elettrici funzioni del tempo uscenti dai
radiatori H e V, otteniamo:
un vettore di ampiezza costante che cambia direzione e avanza lungo
l’asse Z, come i vettori verdi indicati nel disegno. Il vettore risultante
descrive un spirale lungo la direzione di propagazione dell’onda. Se le
ampiezze Ex ed Ey non sono uguali si ottiene una polarizzazione del tipo
ellittico.
L’esempio è fatto con semplici dipoli, nulla cambia se usiamo antenne
direttive, fino a frequenze di 2-3 GHz, s’incrociano perpendicolarmente
due antenne tipo YAGI. Il ritardo di 90° si ottiene differenziando, di
λ/4, la lunghezza elettrica, tramite cavi coassiali, del percorso
tra lo splitter e le antenne. La presenza dello sfasatore limita ulteriormente
la larghezza di banda di questo tipo di antenna. Il vantaggio di usare doppie
antenne è che il senso di circolazione può essere cambiato mediante un
semplice switch comandato con una tensione.
Lo stesso risultato, di polarizzazione circolare sempre per usi fino
a 2-3 GHz, è ottenuto con le cosiddette antenne ad elica.
Il diametro della spira determina la frequenza di funzionamento. Il
numero delle spire, la direttività e la direzione orario o antiorario delle
spire determina la polarizzazione destra o sinistra. Il vantaggio che non
richiede l’uso dello splitter né dello sfasatore. Lo svantaggio è che deve
essere noto a priori il senso di circolazione.
Le antenne filari incrociate o elicoidali sono largamente usati in
banda VHF-UHF per la ricezione di satelliti polari meteorologici (NOAA,
METEOR) e recentemente si notano nei sistemi Lan Wireless a 2,5 GHz per l’estensione
dell’area di connessione.
Per frequenze maggiori di circa 3-4 GHz dove non è possibile utilizzare
antenne a conduttori filari, si usano illuminatori in guide d’onda posizionati
sul fuoco di antenne del tipo riflessivo (Cassegrain, Gregorian, Singolo
riflettore) la polarizzazione è determinata dalla posizione fisica della
guida d’onda rettangolare.
Parabole con doppio radiatore sono praticamente doppie antenne con
due connettori: uno H e l’altro V. Esse sono usate anche per raddoppiare
la capacità trasmissiva3.
Nel caso di trasmissione o ricezione a polarizzazione circolare lo
splitter, sfasatore e doppio illuminatore è visto come un blocco unico.
Nelle tecniche a microonde per antenne a sola polarizzazione circolare
esistono svariati tipi di illuminatori. Sono tutti molto simili, cambiano
solo le dimensioni delle guide d’onda a secondo se si è in banda C (4 GHz),
banda X (8 GHz) e banda Ku (12 GHz). È noto dalle tecniche di microonde
che sistemi radianti costituiti da guide coassiali a trombe corrugate offrono
la possibilità di avere diagrammi di radiazione a simmetria quasi circolare.
Tale simmetria si mantiene per un angolo solido sufficiente grande ad alimentare
un parabolide una volta collocato l’illuminatore sul fuoco.
Note
- Nei collegamenti ionosferici in onde corte fino a 30-50 MHz, la
polarizzazione non è mantenuta. Un onda elettromagnetica che arriva alla
ionosfera con una certa polarizzazione, a causa dell’effetto Faraday ne
esce spesso con una completamente diversa, perciò a volte il segnale si
riceve meglio con un antenna verticale ed a volte con un’antenna orizzontale. - Se il segnale trasmesso ha una polarizzazione fissa H o V e ruotiamo
l’antenna ricevente su se stessa (senza modificare lo zenit e l’azimut
) il segnale restituito diventerà sempre più debole, fino alla situazione
limite in cui le antenne sono fisicamente ortogonali tra loro ed il segnale
è teoricamente nullo. In pratica, per diversi motivi, c’è sempre qualcosa.
Il segnale si annulla fortemente alle alte frequenze e con antenne paraboliche. - Una caratteristica molto importante è detta XPD (cross-Polarization
Discrimination), esso indica il residuo di segnale che si ottiene sull’illuminatore
H, quando si trasmette sul piano V e viceversa. Sono valori ottimi 30-40
dB di isolamento.
Un vantaggio delle trasmissioni digitali modulate in QPSK è che il
segnale non risente assolutamente di interferenze fino a rapporti di segnale
/interferente di 15-20 dB.
Ciò permette con l’utilizzo di parabole con doppi radianti H e V sul
fuoco e XPD di soli 25-30 dB di riusare la stessa banda di frequenza, trasmettendo/
ricevendo contemporaneamente due distinti segnali con una sola antenna
parabolica, senza perdere 3dB rispetto alla polarizzazione circolare. Ciò
non sarebbe possibile per trasmissioni analogiche. Questa soluzione è usata
anche nel settore consumer dai satelliti televisivi, dove dagli anni Ottanta
sofisticati stabilizzatori di polarizzazione mantengono costante la direzione
del campo elettrico sui piani H e V.
Bibliografia
- The ARRL Antenna Book.
- G. Vaccarella, “Studio teorico antenna con illuminatore corrugato”. Elettronica
telecomunicazioni, N. 4, 1981.