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 E_x, E_y 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 E_x ed E_y 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

1. 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.

2. 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.

3. 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.&nbasp;Vaccarella, "Studio teorico antenna con illuminatore corrugato". Elettronica telecomunicazioni, N. 4, 1981.