Che cos'è un'antenna MiMo a doppia polarizzazione? Guida completa

La comprensione della tecnologia delle antenne è fondamentale per chiunque lavori nel settore delle comunicazioni wireless. Le antenne a doppia polarizzazione sono un componente essenziale che influisce notevolmente sulla funzionalità dei moderni sistemi di comunicazione e questa guida vi aiuterà a comprenderle. Nel mondo della tecnologia in rapida evoluzione, è importante comprendere le antenne a doppia polarizzazione e il loro significato. All'avanguardia nel miglioramento dei sistemi di comunicazione, queste antenne promettono una maggiore qualità del segnale e un utilizzo più efficace della larghezza di banda.

Ingresso multiplo Uscita multipla (MIMO) è diventata la base per aumentare la larghezza di banda della rete, l'efficienza spettrale e la velocità dei dati. Per ottenere questi miglioramenti, la doppia polarizzazione Antenne MIMO sono essenziali per la loro capacità di inviare e ricevere segnali su polarizzazioni ortogonali.

Le varietà, i vantaggi, i confronti con le antenne a polarizzazione singola e i vari usi delle antenne a doppia polarizzazione sono trattati in dettaglio in questo articolo. Questa guida approfondita offre una visione delle antenne MIMO a doppia polarizzazione, coprendo tutto, dalle basi teoriche alle applicazioni reali.

Che cos'è un'antenna a doppia polarizzazione?

Quando si tratta di inviare e ricevere segnali su due piani di polarizzazione diversi, solitamente orizzontale e verticale, un'antenna a doppia polarizzazione è uno strumento eccellente. Questa doppia caratteristica è essenziale per una comunicazione efficace, poiché consente di raddoppiare la capacità di un sistema di comunicazione senza richiedere una maggiore larghezza di banda o potenza di trasmissione.

La doppia polarità si riferisce semplicemente alla capacità di un'antenna di inviare e ricevere simultaneamente segnali su due piani separati. Per ottenere questo risultato si utilizzano due serie di elementi o antenne posizionate ad angolo retto l'una rispetto all'altra. Solitamente orizzontali e verticali, le due serie di dispositivi sono fatte per inviare e ricevere segnali su due piani ortogonali. Il miglioramento della diversità del segnale e la reiezione delle interferenze sono due vantaggi delle antenne a doppia polarità, essenziali per sostenere comunicazioni affidabili in vari tipi di ambienti.

Come funziona?

Le antenne a doppia polarizzazione funzionano inviando e ricevendo simultaneamente segnali in due polarizzazioni distinte. Il termine "polarizzazione" descrive l'orientamento delle onde elettromagnetiche durante la loro propagazione spaziale. Le onde elettromagnetiche in un'antenna monopolarizzata si propagano in direzione verticale o orizzontale. In un'antenna bipolarizzata, invece, le onde si propagano in due direzioni ortogonali, solitamente verticale e orizzontale.

Le antenne bipolarizzate ottengono questo risultato disponendo di due serie di elementi radianti, ciascuno orientato in una polarizzazione distinta. Di solito si utilizza una disposizione incrociata di questi elementi radianti, con una serie di elementi allineati verticalmente e l'altra orizzontalmente.

L'antenna bipolarizzata è in grado di trasmettere simultaneamente segnali in polarizzazione verticale e orizzontale. In questo modo è possibile trasmettere due flussi di dati separati sulla stessa gamma di frequenze. Analogamente, l'antenna può ricevere simultaneamente segnali in entrambe le polarizzazioni, raddoppiando così la quantità di dati ricevuti.

Le antenne a doppia polarizzazione hanno il vantaggio di raddoppiare il throughput di un canale di comunicazione, trasmettendo e ricevendo più dati sulla stessa banda di frequenza. Per questo motivo, sono molto efficaci negli spettri affollati dove è fondamentale massimizzare la trasmissione dei dati.

A cosa serve un'antenna a doppia polarizzazione?

Con un'antenna a doppia polarizzazione è possibile inviare e ricevere simultaneamente segnali con due polarizzazioni distinte. Con essa è possibile inviare e ricevere due segnali o flussi di dati distinti sulla stessa gamma di frequenze. Questo tipo di antenna viene spesso utilizzato nei sistemi di comunicazione wireless per consentire la trasmissione e la ricezione simultanea di numerosi segnali, aumentando così la capacità e l'efficienza del sistema. I sistemi radar la utilizzano anche per distinguere i segnali riflessi da vari oggetti in base alla loro polarizzazione.

Tipi di polarizzazione dell'antenna

Polarizzazione verticale

Nella polarizzazione verticale, il campo elettrico dell'onda elettromagnetica oscilla verticalmente rispetto alla superficie della Terra. In questo caso, il campo elettrico è orientato perpendicolarmente al suolo. Questo tipo di polarizzazione viene spesso utilizzato anche nelle comunicazioni satellitari, nelle trasmissioni televisive e nelle comunicazioni wireless. Questo tipo di polarizzazione funziona bene nelle aree urbane, dove i segnali devono attraversare efficacemente gli edifici.

Polarizzazione orizzontale

Il campo elettrico oscilla orizzontalmente in presenza di polarizzazione orizzontale. In questo caso il campo elettrico è parallelo al terreno. Le comunicazioni satellitari e le trasmissioni televisive utilizzano spesso questo tipo di polarizzazione. Poiché la polarizzazione orizzontale perde meno riflessione al suolo rispetto alla polarizzazione verticale, è migliore per le comunicazioni a lunga distanza, soprattutto nelle aree rurali.

Polarizzazione incrociata (doppia inclinazione ±45°)

Quando due polarizzazioni sono supportate dall'antenna con angoli di ±45° rispetto all'asse orizzontale, questa configurazione è nota come polarizzazione incrociata. Un tipo di polarizzazione utilizzato nelle comunicazioni mobili è la polarizzazione a 45°. Essa descrive l'orientamento del campo elettrico di un'onda radio rispetto alla superficie della Terra. Nella polarizzazione a 45 il campo elettrico è orientato con un angolo di 45 gradi rispetto alla superficie della Terra.
Le reti cellulari utilizzano spesso questo tipo di polarizzazione per ridurre le interferenze e migliorare la qualità del segnale. Le antenne a doppia polarizzazione sono note per questa disposizione, molto utile nei sistemi MIMO per ridurre le interferenze e migliorare la qualità del segnale.

Polarizzazione circolare: RHCP / LHCP

Quando un'onda si propaga in polarizzazione circolare, il campo elettrico ruota in modo circolare. La polarizzazione circolare destra (RHCP) e la polarizzazione circolare sinistra (LHCP) sono i due tipi di polarizzazione circolare. Le comunicazioni satellitari, il GPS, l'RFID, le comunicazioni wireless e i sistemi che devono funzionare in modo coerente anche con diversi orientamenti del segnale utilizzano spesso la polarizzazione circolare.

Vantaggi delle antenne a doppia polarizzazione

La doppia polarizzazione offre numerosi vantaggi in varie applicazioni. Alcuni dei vantaggi principali sono:

• Miglioramento della qualità dei dati

 La doppia polarizzazione offre ulteriori dettagli sull'oggetto o sulla scena in osservazione. L'invio e la ricezione di segnali in polarizzazione orizzontale e verticale consentono di ottenere immagini e misure di qualità superiore, permettendo di raccogliere informazioni più precise sull'oggetto.

• Miglioramento dell'identificazione del bersaglio  

La doppia polarizzazione facilita la distinzione tra i vari tipi di bersaglio. Ad esempio, può aiutare a distinguere tra pioggia, neve, grandine e altre forme di precipitazione nelle applicazioni radar meteorologiche. Può aiutare a distinguere le diverse forme di copertura del suolo, comprese le aree urbane, le foreste e l'agricoltura, nel telerilevamento.

• Maggiore sensibilità

I sistemi radar possono essere resi più sensibili grazie alla doppia polarizzazione. Il radar può aumentare le capacità di rilevamento e misurazione catturando una maggiore quantità di energia retrodiffusa del bersaglio inviando e ricevendo segnali in due polarizzazioni.

• Riduzione delle interferenze

Nei sistemi radar, la doppia polarizzazione aiuta a ridurre il disordine e le interferenze. È possibile ottenere misure più pulite e precise separando il segnale del bersaglio dai segnali indesiderati e dal rumore di fondo utilizzando entrambe le polarizzazioni.

• Migliori prestazioni in condizioni climatiche avverse

In condizioni avverse, come pioggia o neve, la doppia polarizzazione è più efficace. Entrambe le polarizzazioni possono essere utilizzate per aumentare la precisione delle misure e ridurre l'effetto dell'attenuazione del segnale.

•  Miglioramento del riconoscimento e della classificazione dei bersagli

I compiti di riconoscimento e classificazione dei bersagli possono trarre vantaggio dalla doppia polarizzazione. I diversi tipi di bersaglio possono essere identificati e classificati in base alle loro caratteristiche di diffusione esaminando le caratteristiche di polarizzazione dei segnali retrodiffusi.

Nel complesso, grazie ai suoi numerosi vantaggi in termini di qualità dei dati, discriminazione dei bersagli, sensibilità, riduzione delle interferenze, prestazioni in caso di maltempo e riconoscimento dei bersagli, la doppia polarizzazione è uno strumento utile per una serie di applicazioni, tra cui i radar meteorologici, il telerilevamento e la sorveglianza militare.

Confronto con le antenne a polarizzazione singola (antenne SISO)

Poiché le antenne a polarizzazione singola (SISO) utilizzano solo una polarizzazione, le loro prestazioni e capacità sono limitate in situazioni di propagazione complesse. Le seguenti differenze significative tra le antenne SISO e quelle a doppia polarizzazione sono evidenziate da un confronto,

Le antenne monopolarizzate sono fatte per inviare e ricevere segnali in una sola polarizzazione, che può essere verticale o orizzontale. Ciò significa che possono inviare o ricevere solo segnali polarizzati nella stessa direzione. L'intensità del segnale si riduce notevolmente se la polarizzazione della trasmissione e dell'antenna sono diverse.

Le antenne bipolarizzate, invece, possono trasmettere e ricevere segnali sia in polarizzazione verticale che orizzontale. Di conseguenza, possono interagire con dispositivi con orientamenti di polarizzazione diversi dai propri. Poiché le antenne bipolarizzate possono adattarsi alla polarizzazione del segnale in arrivo, producendo segnali più forti e chiari, offrono un canale di comunicazione più affidabile ed efficace.

In conclusione, la differenza principale tra le antenne monopolarizzate e quelle bipolarizzate è che le prime utilizzano una sola polarizzazione, mentre le seconde utilizzano sia la polarizzazione orizzontale che quella verticale, offrendo un metodo più flessibile ed efficiente di trasmissione dei segnali.

Antenne MIMO 2×2 vs. 4×4

Se si è deciso di utilizzare un sistema MIMO piuttosto che un'antenna singola, ci si imbatterà in termini come 2×2, 4×4 e 8×8 MIMO. In un sistema MIMO, questi numeri rappresentano il numero di trasmettitori (il primo numero) e di ricevitori (il secondo numero).

2×2 MIMO

Due trasmettitori e due ricevitori costituiscono un sistema 2×2 MIMO. Le due antenne sono tipicamente "polarizzate", una tecnica che consiste nel posizionare le antenne l'una sull'altra a forma di "x" o "+", in modo che siano separate l'una dall'altra. Con questa configurazione è possibile inviare e ricevere due flussi di dati contemporaneamente. Molti router WiFi di fascia consumer e alcuni dispositivi 4G e 5G utilizzano spesso il 2×2 MIMO. Sebbene il 2×2 non fornisca lo stesso livello di prestazioni dei sistemi MIMO di ordine superiore, le velocità di trasmissione dei dati sono solitamente 30% superiori ai sistemi SISO (Single Input, Single Output). Le reti Wi-Fi e LTE utilizzano spesso questa configurazione perché offre lievi miglioramenti nella copertura e nella velocità dei dati.

4×4 MIMO

Utilizzando quattro trasmettitori e quattro ricevitori, un sistema MIMO 4×4 aumenta notevolmente la capacità e l'affidabilità della rete. Per le applicazioni ad alta velocità come il 5G e le reti wireless complesse, è molto vantaggioso. Ciò consente un ulteriore aumento del throughput dei dati di 30% rispetto al MIMO 2×2 e fino a quattro flussi di dati "spazialmente multiplexati". I router WiFi di fascia alta e alcuni dispositivi 4G e 5G all'avanguardia utilizzano spesso il 4×4 MIMO. In pratica, due antenne 2×2 a polarizzazione incrociata costituiscono solitamente un'antenna 4×4 MIMO. Le antenne sono semplicemente posizionate all'interno del dispositivo.

Tipi di antenne a doppia polarizzazione

Antenna a settore a doppia polarizzazione

Le antenne settoriali a doppia polarità utilizzano uno schema di radiazione a forma di settore sul piano orizzontale sia per la trasmissione che per la ricezione. Una copertura più ampia o omnidirezionale può essere ottenuta combinando più antenne settoriali; spesso la copertura è di 60, 90 o 120 gradi.
Le stazioni base utilizzano antenne settoriali con doppia polarizzazione per coprire determinati settori. Sono perfette per i sistemi di accesso wireless fissi e le reti cellulari. In parole povere, le antenne settoriali sono antenne a pannello più grandi, con un isolamento e una direttività front-to-back migliorati.

Antenna a pannello a doppia polarizzazione

Queste antenne multiuso a pannello piatto sono utilizzate per le connessioni da edificio a edificio e per le comunicazioni punto-punto. Le antenne a pannello sono antenne rettangolari e piatte che vengono solitamente fissate su pareti o altre strutture all'esterno o utilizzate all'interno. Per concentrare la copertura in una particolare regione o direzione, offrono un segnale relativamente direzionale. In presenza di ostacoli tra l'utente e il ripetitore, le antenne a pannello possono migliorare le prestazioni perché sono generalmente facili da individuare e catturano bene i segnali riflessi.

Antenna a doppia polarizzazione per montaggio a soffitto

Per una copertura wireless omogenea, le antenne a soffitto sono state realizzate per applicazioni interne, tra cui aree pubbliche e uffici. Grazie alla loro capacità di inviare e ricevere segnali sia sul piano orizzontale che su quello verticale, le antenne a soffitto a doppia polarizzazione sono sempre più diffuse. Queste antenne, montate sul soffitto, migliorano la copertura in ambienti interni, in particolare in luoghi molto trafficati.

Antenna omnidirezionale a doppia polarizzazione

I sistemi Wi-Fi e di sorveglianza che necessitano di una copertura a 360 gradi utilizzano spesso antenne omnidirezionali, che trasmettono segnali in tutte le direzioni. Le antenne omnidirezionali possono inviare e ricevere segnali in un cerchio di 360 gradi. Non hanno bisogno di essere puntate su una torre cellulare perché raccolgono segnali da tutte le direzioni. Funzionano bene per aumentare la potenza del segnale su un'ampia gamma di operatori. Funzionano bene in circostanze in cui è presente un segnale da moderato a forte.

Antenna a piatto a doppia polarizzazione

Le antenne a parabola a doppia polarizzazione offrono un elevato guadagno e un'accurata focalizzazione del fascio, rendendole perfette per le comunicazioni a lunga distanza. Le comunicazioni wireless a lungo raggio utilizzano spesso antenne a parabola, che sono altamente direzionali. La loro forma parabolica, che aiuta a focalizzare il segnale in un fascio stretto, è ciò che le contraddistingue. Quando è necessario un segnale forte e focalizzato su lunghe distanze, le antenne a parabola sono perfette perché possono produrre un guadagno molto elevato. I sistemi radar e satellitari ne fanno largo uso.

Antenna Yagi a doppia polarizzazione

Le antenne Yagi sono perfette per le comunicazioni punto-punto grazie alle loro caratteristiche direzionali. Un buon esempio è l'antenna Yagi a doppia polarizzazione di KP Performance, che offre prestazioni eccellenti in aree isolate e rurali. Queste antenne yagi sono state progettate e testate sul campo per garantire prestazioni e penetrazione degli alberi superiori.

Applicazioni dell'antenna a doppia polarizzazione

Le antenne MIMO a doppia polarizzazione sono utilizzate in diversi campi. Sono molti i sistemi di comunicazione wireless che utilizzano antenne a doppia polarizzazione, tra cui i sistemi di comunicazione satellitare, le stazioni base cellulari, le reti Wi-Fi e le comunicazioni a microonde punto-punto. Sono particolarmente utili in situazioni che richiedono elevate velocità di trasmissione dei dati e un uso efficiente dello spettro.

1. Collegamenti a microonde punto-punto

I collegamenti a microonde punto-punto, che richiedono un'elevata velocità di trasmissione dei dati su lunghe distanze, utilizzano spesso antenne a doppia polarizzazione. Queste antenne ottimizzano l'efficienza della larghezza di banda supportando due flussi di dati indipendenti su polarizzazioni ortogonali. Ciò è essenziale per le reti di backhaul degli operatori mobili, dove è richiesta una trasmissione affidabile di enormi quantità di dati. Inoltre, il design a doppia polarizzazione migliora la stabilità dei collegamenti in installazioni ad alta densità, riducendo le interferenze.

2. Stazioni base cellulari

Le antenne a doppia polarizzazione sono componenti fondamentali delle stazioni base delle reti cellulari. Esse rendono possibili tecnologie all'avanguardia come il MIMO, che migliorano l'utilizzo dello spettro e la capacità della rete. Queste antenne garantiscono la migliore trasmissione e ricezione del segnale sia nelle aree urbane che in quelle rurali, supportando sia la polarizzazione verticale che quella orizzontale. I consumatori di telefonia mobile possono così beneficiare di una maggiore copertura, di una velocità di trasmissione dei dati più elevata e di una migliore connettività.

3. Reti Wi-Fi

Le reti Wi-Fi utilizzano sempre più spesso antenne a doppia polarizzazione, soprattutto negli hotspot pubblici e negli ambienti aziendali. La fornitura di Internet ad alta velocità a numerosi utenti contemporaneamente richiede un uso efficace dello spettro disponibile, garantito dalla capacità di gestire diverse polarizzazioni. Ciò è particolarmente utile in luoghi molto trafficati, come stadi, centri congressi e aeroporti, dove è necessario un accesso affidabile.

4. Sistemi di comunicazione satellitare

Le antenne a doppia polarizzazione sono essenziali per i sistemi di comunicazione satellitare perché possono facilitare le operazioni simultanee di uplink e downlink su polarizzazioni ortogonali. Oltre ad aumentare l'efficienza dello spettro, questa disposizione consente ai satelliti di servire più clienti o applicazioni contemporaneamente. Inoltre, la doppia polarizzazione riduce le interferenze causate dalla sovrapposizione dei segnali, garantendo una comunicazione affidabile e precisa. Le applicazioni comprendono la radiodiffusione, il rilevamento meteorologico e il GPS.

Fattori da considerare nella scelta delle antenne

• Frequenza:

La frequenza operativa deve essere in linea con l'applicazione prevista per garantire prestazioni ottimali. Ad esempio, le frequenze più basse sono più adatte per le comunicazioni a lunga distanza, mentre quelle più alte offrono una migliore velocità di trasmissione dei dati per le applicazioni a corto raggio come il Wi-Fi e il 5G.

Le antenne a doppia polarizzazione da 5 GHz operano nella gamma 4,9-5,9 GHz, coprendo le bande senza licenza come IEEE 802.11a/n/ac per la comunicazione Wi-Fi. Il trasferimento di dati ad alta velocità è reso possibile dalla notevole larghezza di banda disponibile su queste frequenze non soggette a licenza e, poiché non sono molto utilizzate, le interferenze sono minori rispetto alle frequenze più basse.

• Guadagno:

Le antenne con guadagno più elevato offrono una portata e una potenza del segnale migliori, ma spesso ciò avviene a scapito di un'ampiezza del fascio più ridotta. Le antenne ad alto guadagno sono ideali per le comunicazioni punto-punto a lunga distanza, mentre le antenne a basso guadagno sono migliori per aree di copertura più ampie, come nelle configurazioni omnidirezionali.

• Isolamento:

Un buon isolamento tra le polarizzazioni riduce al minimo le interferenze tra i segnali trasmessi e ricevuti su polarizzazioni ortogonali. Questo aspetto è particolarmente importante nei sistemi MIMO, dove un cattivo isolamento può peggiorare le prestazioni e ridurre la velocità di trasmissione dei dati.

• Polarizzazione:

La selezione della giusta polarizzazione migliora l'efficienza del sistema garantendo un allineamento ottimale del segnale tra il trasmettitore e il ricevitore. Ad esempio, la doppia polarizzazione (orizzontale e verticale) è ideale per i sistemi MIMO, mentre la polarizzazione circolare è utile nelle comunicazioni satellitari per ridurre la degradazione del segnale causata dalle condizioni atmosferiche.

• Tipo di connettore:

Il connettore deve essere compatibile con la linea di trasmissione del sistema per garantire la minima perdita di segnale e un efficiente trasferimento di potenza. I tipi di connettore più comuni sono SMA, N e TNC, ciascuno dei quali viene scelto in base alla gamma di frequenze, alla gestione della potenza e alle condizioni ambientali dell'applicazione.

Perché la polarizzazione dell'antenna è importante

La polarizzazione dell'antenna è importante. L'orientamento delle onde elettromagnetiche che un'antenna trasmette o riceve è definito polarizzazione. La polarizzazione dell'antenna può essere di due tipi: verticale e orizzontale.
Per ottenere risultati ottimali, la polarizzazione di un'antenna deve coincidere con la polarizzazione del segnale inviato o ricevuto. Quando le polarizzazioni si allineano, si ottiene una migliore potenza e qualità del segnale, consentendo una trasmissione o una ricezione efficiente.

Se le polarizzazioni non sono allineate, l'intensità del segnale può essere ridotta o addirittura bloccata. Questo perché il segnale subisce un fenomeno noto come perdita di polarizzazione quando le polarizzazioni sono perpendicolari tra loro. L'intensità del segnale è ridotta e le prestazioni di comunicazione possono essere scarse, perché il campo elettrico del segnale non riesce ad accoppiarsi con l'antenna.
La polarizzazione dell'antenna influenza l'efficienza del sistema e la penetrazione del segnale, oltre all'allineamento. Ad esempio, dato che la polarizzazione verticale migliora la penetrazione del segnale al di sopra di ostacoli come alberi ed edifici, è spesso utilizzata per le comunicazioni terra-aria. Tuttavia, poiché riduce l'interferenza di altri segnali con polarizzazioni diverse, la polarizzazione orizzontale è spesso utilizzata per le comunicazioni punto-punto.

Per garantire prestazioni ottimali, chiarezza del segnale, penetrazione ed efficienza del sistema, la polarizzazione dell'antenna è un fattore essenziale nella progettazione del sistema.

Conclusione

Le antenne a doppia polarizzazione offrono maggiori prestazioni, affidabilità ed efficienza, rappresentando un'importante innovazione nella tecnologia delle comunicazioni. La comprensione degli effetti della polarizzazione dell'antenna è essenziale per i professionisti IT per affrontare con successo la complessità dei moderni sistemi di comunicazione. Queste antenne costituiscono la base per il 4G, il 5G e oltre, combinando prestazioni migliori, un design compatto e un'ampia gamma di applicazioni. Le antenne a doppia polarizzazione svolgeranno un ruolo sempre più importante nel facilitare i progressi della connettività nelle tecnologie wireless, con il continuo sviluppo delle comunicazioni wireless.

Le antenne a doppia polarizzazione stanno diventando sempre più importanti per affrontare le sfide della comunicazione wireless. La loro capacità di aumentare la capacità di comunicazione senza richiedere risorse aggiuntive è un progresso importante che indica un'era in cui la trasmissione dei dati sarà più affidabile, efficiente e veloce che mai.

Nel complesso, questo articolo mette in evidenza il ruolo essenziale che le antenne MIMO a doppia polarizzazione svolgono nello sviluppo dei moderni sistemi di comunicazione wireless, illustrando i concetti fondamentali, i tipi, i vantaggi, i confronti con le antenne a singola polarizzazione, le applicazioni reali e le considerazioni importanti sulla progettazione.