Les ingénieurs électroniciens savent que les antennes envoient et reçoivent des signaux sous forme d'ondes d'énergie électromagnétique (EM) décrites par les équations de Maxwell. Comme pour de nombreux sujets, ces équations, ainsi que les propriétés de propagation de l'électromagnétisme, peuvent être étudiées à différents niveaux, depuis des termes relativement qualitatifs jusqu'à des équations complexes.
La propagation de l'énergie électromagnétique comporte de nombreux aspects, dont la polarisation, qui peut avoir des conséquences ou des préoccupations variables selon les applications et la conception de leurs antennes. Les principes fondamentaux de la polarisation s'appliquent à tous les rayonnements électromagnétiques, y compris les RF/sans fil et l'énergie optique, et sont souvent utilisés dans les applications optiques.
Qu'est-ce que la polarisation d'antenne ?
Avant de comprendre la polarisation, il est essentiel de comprendre les principes fondamentaux des ondes électromagnétiques. Ces ondes sont composées de champs électriques (champs E) et de champs magnétiques (champs H) et se déplacent dans une seule direction. Les champs E et H sont perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation des ondes planes.
La polarisation fait référence au plan du champ électrique du point de vue de l'émetteur du signal : pour la polarisation horizontale, le champ électrique se déplacera latéralement dans le plan horizontal, tandis que pour la polarisation verticale, le champ électrique oscillera de haut en bas dans le plan vertical. (figure 1).
Figure 1 : Les ondes d'énergie électromagnétique sont constituées de composantes de champ E et H mutuellement perpendiculaires
Polarisation linéaire et polarisation circulaire
Les modes de polarisation incluent les suivants :
En polarisation linéaire de base, les deux polarisations possibles sont orthogonales (perpendiculaires) l'une à l'autre (figure 2). En théorie, une antenne de réception polarisée horizontalement ne « percevra » pas le signal d'une antenne polarisée verticalement, et inversement, même si les deux fonctionnent à la même fréquence. Plus elles sont alignées, plus le signal est capté et le transfert d'énergie est maximisé lorsque les polarisations correspondent.
Figure 2 : La polarisation linéaire offre deux options de polarisation à angle droit l'une par rapport à l'autre
La polarisation oblique de l'antenne est un type de polarisation linéaire. Comme les polarisations horizontale et verticale de base, cette polarisation n'a de sens qu'en environnement terrestre. La polarisation oblique forme un angle de ±45 degrés par rapport au plan de référence horizontal. Bien qu'il s'agisse en réalité d'une autre forme de polarisation linéaire, le terme « linéaire » ne désigne généralement que les antennes polarisées horizontalement ou verticalement.
Malgré certaines pertes, les signaux émis (ou reçus) par une antenne diagonale ne sont possibles qu'avec des antennes polarisées horizontalement ou verticalement. Les antennes polarisées obliquement sont utiles lorsque la polarisation de l'une ou des deux antennes est inconnue ou change en cours d'utilisation.
La polarisation circulaire (PC) est plus complexe que la polarisation linéaire. Dans ce mode, la polarisation représentée par le vecteur champ E tourne au fur et à mesure de la propagation du signal. En rotation vers la droite (vu de l'émetteur), la polarisation circulaire est appelée polarisation circulaire droite (PCR) ; en rotation vers la gauche, on parle de polarisation circulaire gauche (PCG) (Figure 3).
Figure 3 : En polarisation circulaire, le vecteur champ E d'une onde électromagnétique tourne ; cette rotation peut être à droite ou à gauche
Un signal CP est constitué de deux ondes orthogonales déphasées. Trois conditions sont requises pour générer un signal CP. Le champ E doit être composé de deux composantes orthogonales, déphasées de 90 degrés et d'amplitude égale. Une méthode simple pour générer un signal CP consiste à utiliser une antenne hélicoïdale.
La polarisation elliptique (PE) est un type de PC. Les ondes à polarisation elliptique sont le gain produit par deux ondes à polarisation linéaire, comme les ondes PC. La combinaison de deux ondes à polarisation linéaire perpendiculaires et d'amplitudes inégales produit une onde à polarisation elliptique.
La discordance de polarisation entre antennes est décrite par le facteur de perte de polarisation (PLF). Ce paramètre, exprimé en décibels (dB), est fonction de la différence d'angle de polarisation entre les antennes d'émission et de réception. Théoriquement, le PLF peut varier de 0 dB (aucune perte) pour une antenne parfaitement alignée à une valeur infinie (perte infinie) pour une antenne parfaitement orthogonale.
En réalité, l'alignement (ou le désalignement) de la polarisation n'est pas parfait, car la position mécanique de l'antenne, le comportement de l'utilisateur, la distorsion du canal, les réflexions multitrajets et d'autres phénomènes peuvent entraîner une distorsion angulaire du champ électromagnétique transmis. Initialement, on observe une fuite de polarisation croisée du signal de 10 à 30 dB, voire plus, par rapport à la polarisation orthogonale, ce qui, dans certains cas, peut suffire à perturber la récupération du signal souhaité.
En revanche, le PLF réel de deux antennes alignées en polarisation idéale peut atteindre 10 dB, 20 dB, voire plus, selon les circonstances, et peut entraver la récupération du signal. Autrement dit, une polarisation croisée involontaire et un PLF peuvent avoir des effets bidirectionnels, interférant avec le signal souhaité ou réduisant sa puissance.
Pourquoi se soucier de la polarisation ?
La polarisation fonctionne de deux manières : plus deux antennes sont alignées et ont la même polarisation, meilleure est la puissance du signal reçu. À l'inverse, un mauvais alignement de polarisation empêche les récepteurs, qu'ils soient satisfaits ou non, de capter une quantité suffisante du signal d'intérêt. Dans de nombreux cas, le canal déforme la polarisation transmise, ou l'une ou les deux antennes ne sont pas dans une direction statique fixe.
Le choix de la polarisation à utiliser dépend généralement de l'installation ou des conditions atmosphériques. Par exemple, une antenne à polarisation horizontale sera plus performante et conservera sa polarisation lorsqu'elle sera installée près du plafond ; à l'inverse, une antenne à polarisation verticale sera plus performante et conservera sa polarisation lorsqu'elle sera installée près d'un mur latéral.
L'antenne dipôle largement utilisée (simple ou pliée) est polarisée horizontalement dans son orientation de montage « normale » (Figure 4) et est souvent tournée de 90 degrés pour adopter une polarisation verticale lorsque cela est nécessaire ou pour prendre en charge un mode de polarisation préféré (Figure 5).
Figure 4 : Une antenne dipôle est généralement montée horizontalement sur son mât pour fournir une polarisation horizontale
Figure 5 : Pour les applications nécessitant une polarisation verticale, l'antenne dipôle peut être montée en conséquence là où l'antenne capte
La polarisation verticale est couramment utilisée pour les radios portables, comme celles utilisées par les premiers intervenants, car de nombreuses antennes radio à polarisation verticale offrent également un diagramme de rayonnement omnidirectionnel. Par conséquent, ces antennes n'ont pas besoin d'être réorientées, même en cas de changement de direction de la radio et de l'antenne.
Les antennes haute fréquence (HF) de 3 à 30 MHz sont généralement constituées de simples fils longs tendus horizontalement entre des supports. Leur longueur est déterminée par la longueur d'onde (10 à 100 m). Ce type d'antenne est naturellement polarisé horizontalement.
Il convient de noter que l'appellation « haute fréquence » a commencé il y a plusieurs décennies, lorsque 30 MHz correspondait effectivement à une haute fréquence. Bien que cette description semble aujourd'hui obsolète, il s'agit d'une désignation officielle de l'Union internationale des télécommunications (UIT) et elle est encore largement utilisée.
La polarisation privilégiée peut être déterminée de deux manières : soit par ondes de sol pour une signalisation courte portée plus forte par des équipements de radiodiffusion utilisant la bande des ondes moyennes (OM) de 300 kHz à 3 MHz, soit par ondes ionosphériques pour des distances plus longues via l'ionosphère. En règle générale, les antennes à polarisation verticale offrent une meilleure propagation des ondes de sol, tandis que les antennes à polarisation horizontale offrent de meilleures performances en ondes ionosphériques.
La polarisation circulaire est largement utilisée pour les satellites, car leur orientation par rapport aux stations terrestres et aux autres satellites varie constamment. L'efficacité des antennes d'émission et de réception est optimale lorsque les deux sont polarisées circulairement. Cependant, des antennes à polarisation linéaire peuvent être utilisées avec des antennes CP, malgré un facteur de perte de polarisation.
La polarisation est également importante pour les systèmes 5G. Certains réseaux d'antennes 5G MIMO (entrées/sorties multiples) permettent d'augmenter le débit en utilisant la polarisation pour exploiter plus efficacement le spectre disponible. Ce résultat est obtenu grâce à une combinaison de différentes polarisations de signal et au multiplexage spatial des antennes (diversité spatiale).
Le système peut transmettre deux flux de données, car ceux-ci sont connectés par des antennes indépendantes à polarisation orthogonale et peuvent être récupérés indépendamment. Même en cas de polarisation croisée due à la distorsion du trajet et du canal, aux réflexions, aux trajets multiples et à d'autres imperfections, le récepteur utilise des algorithmes sophistiqués pour récupérer chaque signal d'origine, ce qui se traduit par de faibles taux d'erreur binaire (TEB) et, in fine, une meilleure utilisation du spectre.
en conclusion
La polarisation est une propriété importante des antennes, souvent négligée. La polarisation linéaire (horizontale et verticale), oblique, circulaire et elliptique est utilisée pour différentes applications. La plage de performances RF de bout en bout qu'une antenne peut atteindre dépend de son orientation et de son alignement relatifs. Les antennes standard ont différentes polarisations et sont adaptées à différentes parties du spectre, offrant la polarisation optimale pour l'application ciblée.
Produits recommandés :
| RM-DPHA2030-15 | ||
| Paramètres | Typique | Unités |
| Gamme de fréquences | 20-30 | GHz |
| Gagner | 15 Typ. | dBi |
| ROS | 1.3 Typ. | |
| Polarisation | Double Linéaire | |
| Isolement en polarisation croisée | 60 Typ. | dB |
| Isolation des ports | 70 Typ. | dB |
| Connecteur | SMA-Femail | |
| Matériel | Al | |
| Finition | Peinture | |
| Taille(L*l*H) | 83,9*39,6*69,4(±5) | mm |
| Poids | 0,074 | kg |
| RM-BDHA118-10 | ||
| Article | Spécification | Unité |
| Gamme de fréquences | 1-18 | GHz |
| Gagner | 10 Typ. | dBi |
| ROS | 1,5 Typ. | |
| Polarisation | Linéaire | |
| Isolement Cross Po. | 30 Typ. | dB |
| Connecteur | SMA-Femelle | |
| Finition | Pn'est pas | |
| Matériel | Al | |
| Taille(L*l*H) | 182,4*185,1*116,6(±5) | mm |
| Poids | 0,603 | kg |
| RM-CDPHA218-15 | ||
| Paramètres | Typique | Unités |
| Gamme de fréquences | 2-18 | GHz |
| Gagner | 15 Typ. | dBi |
| ROS | 1,5 Typ. |
|
| Polarisation | Double Linéaire |
|
| Isolement en polarisation croisée | 40 | dB |
| Isolation des ports | 40 | dB |
| Connecteur | SMA-F |
|
| Traitement de surface | Pn'est pas |
|
| Taille(L*l*H) | 276*147*147(±5) | mm |
| Poids | 0,945 | kg |
| Matériel | Al |
|
| Température de fonctionnement | -40-+85 | °C |
| RM-BDPHA9395-22 | ||
| Paramètres | Typique | Unités |
| Gamme de fréquences | 93-95 | GHz |
| Gagner | 22 Typ. | dBi |
| ROS | 1.3 Typ. |
|
| Polarisation | Double Linéaire |
|
| Isolement en polarisation croisée | 60 Typ. | dB |
| Isolation des ports | 67 Typ. | dB |
| Connecteur | WR10 |
|
| Matériel | Cu |
|
| Finition | Doré |
|
| Taille(L*l*H) | 69,3*19,1*21,2 (±5) | mm |
| Poids | 0,015 | kg |
Date de publication : 11 avril 2024
