La polarisation est l'une des caractéristiques fondamentales des antennes. Il est essentiel de comprendre la polarisation des ondes planes. Nous pourrons ensuite aborder les principaux types de polarisation d'antenne.
polarisation linéaire
Nous commencerons à comprendre la polarisation d’une onde électromagnétique plane.
Une onde électromagnétique (EM) plane présente plusieurs caractéristiques. Premièrement, l'énergie se propage dans une seule direction (le champ ne varie pas dans deux directions orthogonales). Deuxièmement, les champs électrique et magnétique sont perpendiculaires et orthogonaux. Les champs électrique et magnétique sont perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde plane. À titre d'exemple, considérons un champ électrique monofréquence (champ E) donné par l'équation (1). Le champ électromagnétique se propage dans la direction +z. Le champ électrique est dirigé dans la direction +x. Le champ magnétique est dirigé dans la direction +y.
Dans l'équation (1), observez la notation : . Il s'agit d'un vecteur unitaire (un vecteur de longueur), qui indique que le point du champ électrique est dans la direction x. L'onde plane est illustrée à la figure 1.
figure 1. Représentation graphique du champ électrique se déplaçant dans la direction +z.
La polarisation est la trace et la forme de propagation (contour) d'un champ électrique. Prenons l'exemple de l'équation (1) du champ électrique d'onde plane. Nous observerons la position où le champ électrique est (X, Y, Z) = (0, 0, 0) en fonction du temps. L'amplitude de ce champ est représentée sur la figure 2, à plusieurs instants. Le champ oscille à la fréquence « F ».
figure 2. Observez le champ électrique (X, Y, Z) = (0,0,0) à différents moments.
Le champ électrique est observé à l'origine, oscillant en amplitude. Il est toujours orienté selon l'axe des x. Puisqu'il est maintenu le long d'une seule ligne, on peut dire qu'il est polarisé linéairement. De plus, si l'axe des x est parallèle au sol, on dit qu'il est polarisé horizontalement. Si le champ est orienté selon l'axe des y, on dit qu'il est polarisé verticalement.
Les ondes polarisées linéairement n'ont pas besoin d'être dirigées selon un axe horizontal ou vertical. Par exemple, une onde de champ électrique dont la contrainte est située le long d'une ligne, comme illustré à la figure 3, serait également polarisée linéairement.
image 3. L'amplitude du champ électrique d'une onde polarisée linéairement dont la trajectoire est un angle.
Le champ électrique de la figure 3 peut être décrit par l'équation (2). Il existe maintenant une composante x et une composante y du champ électrique. Ces deux composantes sont de même amplitude.
Il convient de noter à propos de l'équation (2) la composante xy et les champs électroniques dans la deuxième étape. Cela signifie que les deux composantes ont la même amplitude à tout instant.
polarisation circulaire
Supposons maintenant que le champ électrique d’une onde plane soit donné par l’équation (3) :
Dans ce cas, les éléments X et Y sont déphasés de 90 degrés. Si le champ est observé comme (X, Y, Z) = (0,0,0) comme précédemment, la courbe du champ électrique en fonction du temps apparaîtra comme illustré ci-dessous dans la figure 4.
Figure 4. Intensité du champ électrique (X, Y, Z) = (0,0,0) Domaine EQ. (3).
Le champ électrique de la figure 4 tourne en cercle. Ce type de champ est décrit comme une onde polarisée circulairement. Pour une polarisation circulaire, les critères suivants doivent être remplis :
- Norme de polarisation circulaire
- Le champ électrique doit avoir deux composantes orthogonales (perpendiculaires).
- Les composantes orthogonales du champ électrique doivent avoir des amplitudes égales.
- Les composantes en quadrature doivent être déphasées de 90 degrés.
Si le champ se déplace sur l'écran Wave Figure 4, on dit qu'il est polarisé circulairement à droite (RHCP) et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Si le champ tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, il est polarisé circulairement à gauche (LHCP).
Polarisation elliptique
Si le champ électrique possède deux composantes perpendiculaires, déphasées de 90 degrés mais d'intensité égale, il sera polarisé elliptiquement. Considérons le champ électrique d'une onde plane se propageant dans la direction +z, décrit par l'équation (4) :
Le lieu du point où la pointe du vecteur de champ électrique prendra est donné dans la figure 5
Figure 5. Champ électrique d’onde de polarisation elliptique rapide. (4).
Le champ de la figure 5, se déplaçant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, serait elliptique à droite s'il sortait de l'écran. Si le vecteur champ électrique tourne dans le sens inverse, le champ serait polarisé de façon elliptique à gauche.
De plus, la polarisation elliptique fait référence à son excentricité. Le rapport de l'excentricité à l'amplitude des axes majeur et mineur. Par exemple, l'excentricité de l'onde selon l'équation (4) est de 1/0,3 = 3,33. Les ondes polarisées elliptiquement sont décrites plus en détail par la direction de l'axe majeur. L'équation d'onde (4) a un axe principalement constitué de l'axe des x. Notez que l'axe majeur peut être à n'importe quel angle plan. L'angle n'est pas nécessairement adapté aux axes X, Y ou Z. Enfin, il est important de noter que les polarisations circulaire et linéaire sont des cas particuliers de polarisation elliptique. Une onde polarisée elliptiquement excentrique de 1,0 est une onde polarisée circulairement. Ondes polarisées elliptiques avec une excentricité infinie. Ondes polarisées linéairement.
Polarisation de l'antenne
Maintenant que nous connaissons les champs électromagnétiques à ondes planes polarisées, la polarisation d'une antenne est simplement définie.
Polarisation d'antenne : évaluation du champ lointain d'une antenne, c'est-à-dire la polarisation du champ rayonné résultant. Par conséquent, les antennes sont souvent classées comme « polarisées linéairement » ou « polarisées circulairement à droite ».
Ce concept simple est important pour les communications par antenne. Premièrement, une antenne polarisée horizontalement ne communiquera pas avec une antenne polarisée verticalement. En raison du théorème de réciprocité, l'antenne émet et reçoit exactement de la même manière. Par conséquent, les antennes polarisées verticalement émettent et reçoivent des champs polarisés verticalement. Par conséquent, si vous essayez de transmettre une antenne polarisée verticalement à une antenne polarisée horizontalement, la réception sera impossible.
Dans le cas général, pour deux antennes polarisées linéairement tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle ( ), la perte de puissance due à cette inadéquation de polarisation sera décrite par le facteur de perte de polarisation (PLF) :
Par conséquent, si deux antennes ont la même polarisation, l'angle entre leurs champs électroniques rayonnants est nul et il n'y a pas de perte de puissance due à une inadéquation de polarisation. Si une antenne est polarisée verticalement et l'autre horizontalement, l'angle est de 90 degrés et aucune puissance n'est transférée.
REMARQUE : Déplacer le téléphone au-dessus de votre tête à différents angles permet parfois d'améliorer la réception. Les antennes des téléphones portables sont généralement polarisées linéairement ; faire pivoter le téléphone permet donc souvent de s'adapter à la polarisation du téléphone, améliorant ainsi la réception.
La polarisation circulaire est une caractéristique recherchée pour de nombreuses antennes. Ces deux types d'antennes sont polarisées circulairement et ne subissent aucune perte de signal due à une inadéquation de polarisation. Les antennes utilisées dans les systèmes GPS sont polarisées circulairement à droite.
Supposons maintenant qu'une antenne polarisée linéairement reçoive des ondes polarisées circulairement. De même, supposons qu'une antenne polarisée circulairement tente de recevoir des ondes polarisées linéairement. Quel est le facteur de perte de polarisation résultant ?
Rappelons que la polarisation circulaire correspond en réalité à deux ondes orthogonales polarisées linéairement, déphasées de 90 degrés. Par conséquent, une antenne à polarisation linéaire (LP) ne recevra que la composante de phase de l'onde à polarisation circulaire (CP). Par conséquent, l'antenne LP présentera une perte par désadaptation de polarisation de 0,5 (-3 dB). Ceci est vrai quel que soit l'angle de rotation de l'antenne LP. Par conséquent :
Le facteur de perte de polarisation est parfois appelé efficacité de polarisation, facteur de désadaptation d'antenne ou facteur de réception d'antenne. Tous ces termes désignent le même concept.
Date de publication : 22 décembre 2023
