Les ingénieurs en électronique savent que les antennes émettent et reçoivent des signaux sous forme d'ondes électromagnétiques (EM) décrites par les équations de Maxwell. Comme pour de nombreux sujets, ces équations, ainsi que la propagation et les propriétés de l'électromagnétisme, peuvent être étudiées à différents niveaux, allant de notions relativement qualitatives à des équations complexes.
La propagation de l'énergie électromagnétique présente de nombreux aspects, dont la polarisation, qui peut avoir un impact plus ou moins important sur les applications et la conception des antennes. Les principes fondamentaux de la polarisation s'appliquent à tous les rayonnements électromagnétiques, y compris les rayonnements radiofréquences/sans fil et l'énergie optique, et sont fréquemment utilisés dans les applications optiques.
Qu'est-ce que la polarisation d'une antenne ?
Avant de comprendre la polarisation, il est essentiel de saisir les principes fondamentaux des ondes électromagnétiques. Ces ondes sont composées de champs électriques (champs E) et de champs magnétiques (champs H) et se propagent dans une seule direction. Les champs E et H sont perpendiculaires entre eux et à la direction de propagation de l'onde plane.
La polarisation fait référence au plan du champ électrique du point de vue de l'émetteur du signal : pour une polarisation horizontale, le champ électrique se déplacera latéralement dans le plan horizontal, tandis que pour une polarisation verticale, le champ électrique oscillera de haut en bas dans le plan vertical (figure 1).
Figure 1 : Les ondes d'énergie électromagnétique sont composées de composantes de champ E et H mutuellement perpendiculaires.
Polarisation linéaire et polarisation circulaire
Les modes de polarisation comprennent les suivants :
En polarisation linéaire simple, les deux polarisations possibles sont orthogonales (perpendiculaires) (figure 2). En théorie, une antenne de réception à polarisation horizontale ne captera pas le signal d'une antenne à polarisation verticale, et inversement, même si elles fonctionnent à la même fréquence. Plus leur alignement est précis, plus le signal capté est important et plus le transfert d'énergie est maximal lorsque les polarisations correspondent.
Figure 2 : La polarisation linéaire offre deux options de polarisation perpendiculaires l’une à l’autre.
La polarisation oblique d'une antenne est un type de polarisation linéaire. À l'instar des polarisations horizontale et verticale classiques, elle n'est pertinente qu'en milieu terrestre. La polarisation oblique forme un angle de ±45 degrés avec le plan horizontal de référence. Bien qu'il s'agisse en réalité d'une autre forme de polarisation linéaire, le terme « linéaire » se réfère généralement aux antennes à polarisation horizontale ou verticale.
Malgré certaines pertes, la transmission (ou la réception) de signaux par une antenne diagonale est possible uniquement avec des antennes à polarisation horizontale ou verticale. Les antennes à polarisation oblique sont utiles lorsque la polarisation d'une ou des deux antennes est inconnue ou varie 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 électrique subit une rotation lors de la propagation du signal. Lorsqu'elle est orientée vers la droite (vue depuis l'émetteur), on parle de polarisation circulaire droite (PCD) ; lorsqu'elle est orientée vers la gauche, 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 dextre ou sénestre.
Un signal à polarisation circulaire (PC) est composé de deux ondes orthogonales déphasées. Trois conditions sont nécessaires à sa génération : le champ électrique doit comporter deux composantes orthogonales, déphasées de 90° et d'amplitude égale. Une antenne hélicoïdale constitue une méthode simple pour générer un signal PC.
La polarisation elliptique (PE) est un type de polarisation circulaire (PC). Les ondes à polarisation elliptique résultent de la combinaison de deux ondes à polarisation linéaire, comme les ondes à PC. Lorsqu'on combine deux ondes à polarisation linéaire mutuellement perpendiculaires et d'amplitudes inégales, on obtient une onde à polarisation elliptique.
Le désaccord de polarisation entre antennes est décrit par le facteur de perte de polarisation (PLF). Ce paramètre, exprimé en décibels (dB), dépend 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 multi-trajets et d'autres phénomènes peuvent engendrer une certaine distorsion angulaire du champ électromagnétique transmis. Initialement, il y aura une « fuite » de polarisation croisée du signal de 10 à 30 dB, voire plus, par rapport à la polarisation orthogonale, ce qui peut, dans certains cas, suffire à perturber la récupération du signal désiré.
En revanche, le facteur de perte de polarisation (PLF) réel de deux antennes alignées à 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 et un PLF non intentionnels peuvent avoir un double effet : interférer avec le signal utile ou en réduire l’intensité.
Pourquoi se soucier de la polarisation ?
La polarisation fonctionne de deux manières : plus deux antennes sont alignées et ont la même polarisation, meilleur est le signal reçu. À l’inverse, un mauvais alignement de la polarisation rend plus difficile la réception, par les récepteurs (qu’ils soient conçus pour ou non), d’une quantité suffisante du signal utile. Dans de nombreux cas, le canal de réception déforme la polarisation émise, ou bien l’une des antennes, voire les deux, n’est pas orientée dans une direction fixe.
Le choix de la polarisation dépend généralement de l'installation et des conditions atmosphériques. Par exemple, une antenne à polarisation horizontale sera plus performante et conservera mieux sa polarisation lorsqu'elle est installée près du plafond ; à l'inverse, une antenne à polarisation verticale sera plus performante et conservera mieux sa polarisation lorsqu'elle est 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 prendre une polarisation verticale lorsque 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 assurer une polarisation horizontale.
Figure 5 : Pour les applications nécessitant une polarisation verticale, l'antenne dipôle peut être montée en conséquence à l'endroit où l'antenne capte
La polarisation verticale est couramment utilisée pour les radios portables, notamment celles des secouristes, car de nombreuses antennes à polarisation verticale offrent également un diagramme de rayonnement omnidirectionnel. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de réorienter ces antennes même si la direction de la radio et de l'antenne change.
Les antennes haute fréquence (HF) de 3 à 30 MHz sont généralement constituées de longs fils simples 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 » pour cette bande remonte à plusieurs décennies, époque où 30 MHz était effectivement considéré comme une haute fréquence. Bien que cette description paraisse aujourd'hui obsolète, elle reste une désignation officielle de l'Union internationale des télécommunications et est encore largement utilisée.
La polarisation privilégiée peut être déterminée de deux manières : soit par l’utilisation des ondes de sol pour une meilleure transmission à courte portée par les équipements de diffusion utilisant la bande des ondes moyennes (300 kHz – 3 MHz), soit par l’utilisation des ondes ionosphériques pour les transmissions sur de plus longues distances via la liaison ionosphérique. De manière générale, les antennes à polarisation verticale présentent une meilleure propagation des ondes de sol, tandis que les antennes à polarisation horizontale offrent de meilleures performances avec les ondes ionosphériques.
La polarisation circulaire est largement utilisée pour les satellites car l'orientation de ces derniers par rapport aux stations terrestres et aux autres satellites change constamment. L'efficacité entre les antennes d'émission et de réception est optimale lorsque les deux sont à polarisation circulaire ; toutefois, des antennes à polarisation linéaire peuvent être utilisées conjointement, malgré une perte due à la polarisation.
La polarisation est également importante pour les systèmes 5G. Certains réseaux d'antennes MIMO (Multiple-Input/Multiple-Output) 5G atteignent un débit accru grâce à l'utilisation de la polarisation, permettant une exploitation plus efficace du spectre disponible. Ce résultat est obtenu par la combinaison de différentes polarisations de signal et par le multiplexage spatial des antennes (diversité spatiale).
Le système peut transmettre deux flux de données car ces flux sont connectés par des antennes indépendantes à polarisation orthogonale et peuvent être récupérés séparément. Même en présence de polarisations croisées dues 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 permet d'obtenir de faibles taux d'erreur binaire (TEB) et, en fin de compte, une meilleure utilisation du spectre.
en conclusion
La polarisation est une propriété importante des antennes, souvent négligée. Les polarisations linéaire (horizontale et verticale), oblique, circulaire et elliptique sont utilisées selon les applications. Les performances RF globales d'une antenne dépendent de son orientation et de son alignement. Les antennes standard présentent différentes polarisations et sont adaptées à différentes parties du spectre, offrant ainsi la polarisation optimale pour l'application visée.
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 transpol. | 60 Typ. | dB |
| Isolation des ports | 70 Typ. | dB |
| Connecteur | SMA-Ffemme | |
| 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 de Cross Po. | 30 Typ. | dB |
| Connecteur | SMA-Femme | |
| Finition | Pn'est-ce 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 transpol. | 40 | dB |
| Isolation des ports | 40 | dB |
| Connecteur | SMA-F |
|
| Traitement de surface | Pn'est-ce 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 transpol. | 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
