La polarisation est une caractéristique fondamentale des antennes. Il est essentiel de comprendre la polarisation des ondes planes avant d'aborder les principaux types de polarisation d'antenne.
polarisation linéaire
Nous allons commencer à comprendre la polarisation d'une onde électromagnétique plane.
Une onde électromagnétique (EM) plane présente plusieurs caractéristiques. Premièrement, la puissance se propage dans une seule direction (le champ reste constant dans deux directions orthogonales). Deuxièmement, le champ électrique et le champ magnétique sont perpendiculaires et orthogonaux entre eux. Ces champs sont perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde plane. Prenons l'exemple d'un champ électrique monomode (champ E) décrit par l'équation (1). Le champ électromagnétique se propage dans la direction +z. Le champ électrique est orienté selon l'axe +x. Le champ magnétique est orienté selon l'axe +y.
Dans l'équation (1), notez la notation : . Il s'agit d'un vecteur unitaire (un vecteur de longueur ), indiquant que le champ électrique ponctuel est orienté selon l'axe x. L'onde plane est illustrée sur la figure 1.
figure 1. Représentation graphique du champ électrique se propageant dans la direction +z.
La polarisation décrit la forme (ou contour) de la trace et de la propagation d'un champ électrique. Prenons l'exemple d'une onde électrique plane (équation 1). On observe 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 différents 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, observé à l'origine, oscille en amplitude. Il est toujours orienté selon l'axe x. Puisqu'il est linéaire, on dit qu'il est polarisé linéairement. De plus, si l'axe x est parallèle au sol, on parle alors de polarisation horizontale. Enfin, s'il est orienté selon l'axe y, on dit qu'il est polarisé verticalement.
Les ondes polarisées linéairement ne sont pas nécessairement dirigées selon un axe horizontal ou vertical. Par exemple, une onde de champ électrique contrainte de se propager le long d'une ligne, comme illustré sur 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 représenté sur la figure 3 peut être décrit par l'équation (2). Ce champ électrique possède deux composantes, l'une selon x et l'autre selon y, de même amplitude.
Il convient de noter, concernant l'équation (2), que les composantes xy et les champs électroniques de la seconde étape ont la même amplitude en permanence.
polarisation circulaire
Supposons maintenant que le champ électrique d'une onde plane soit donné par l'équation (3) :
Dans ce cas, les composantes X et Y sont déphasées de 90 degrés. Si le champ est observé à nouveau comme (X, Y, Z) = (0, 0, 0), la courbe du champ électrique en fonction du temps apparaîtra comme illustré ci-dessous (figure 4).
Figure 4. Intensité du champ électrique (X, Y, Z) = (0,0,0) domaine EQ. (3).
Le champ électrique représenté sur la figure 4 décrit une rotation circulaire. Ce type de champ est qualifié d'onde à polarisation circulaire. Pour qu'une onde soit à polarisation circulaire, les critères suivants doivent être remplis :
- Norme pour la 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.
Lorsqu'il se déplace sur l'écran de la figure 4, le champ magnétique présente une rotation antihoraire et une polarisation circulaire droite (RHCP). S'il tourne dans le sens horaire, il présente une polarisation circulaire gauche (LHCP).
Polarisation elliptique
Si le champ électrique possède deux composantes perpendiculaires, déphasées de 90 degrés mais de même amplitude, 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 géométrique du point où se trouvera l'extrémité du vecteur champ électrique est représenté sur la figure 5.
Figure 5. Champ électrique d'onde de polarisation elliptique rapide. (4).
Le champ représenté sur la figure 5, se propageant dans le sens antihoraire, serait elliptique dextre s'il sortait de l'écran. Si le vecteur champ électrique tourne dans le sens inverse, le champ sera polarisé elliptiquement sénestre.
De plus, la polarisation elliptique se caractérise par son excentricité, c'est-à-dire le rapport entre l'excentricité et l'amplitude des axes majeur et mineur. Par exemple, l'excentricité de l'onde donnée par l'équation (4) est de 1/0,3 = 3,33. Les ondes à polarisation elliptique sont également décrites par la direction de leur axe majeur. L'équation d'onde (4) possède un axe principal qui correspond à l'axe x. Il est important de noter que l'axe majeur peut former n'importe quel angle dans le plan. Cet angle n'est pas nécessairement aligné avec les axes X, Y ou Z. Enfin, il convient de souligner que les polarisations circulaire et linéaire sont des cas particuliers de polarisation elliptique. Une onde à polarisation elliptique d'excentricité 1,0 est une onde à polarisation circulaire. On parle d'ondes à polarisation elliptique d'excentricité infinie et d'ondes à polarisation linéaire.
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, notamment la polarisation du champ rayonné résultant. C'est pourquoi les antennes sont souvent qualifiées de « polarisation linéaire » ou d'« antennes à polarisation circulaire droite ».
Ce concept simple est fondamental pour les communications par antenne. Premièrement, une antenne à polarisation horizontale ne peut pas communiquer avec une antenne à polarisation verticale. En vertu du théorème de réciprocité, les antennes émettent et reçoivent de la même manière. Ainsi, les antennes à polarisation verticale émettent et reçoivent des champs à polarisation verticale. Par conséquent, si l'on tente de communiquer avec une antenne à polarisation horizontale (elle est à polarisation verticale), il n'y aura aucune réception.
Dans le cas général, pour deux antennes à polarisation linéaire tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle ( ), la perte de puissance due à ce désaccord 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 rayonnés est nul et il n'y a aucune perte de puissance due à un désaccord de polarisation. Si une antenne est polarisée verticalement et l'autre horizontalement, l'angle est de 90 degrés et aucune puissance ne sera transférée.
REMARQUE : Déplacer le téléphone au-dessus de votre tête selon différents angles explique pourquoi la réception peut parfois être améliorée. Les antennes des téléphones portables sont généralement polarisées linéairement ; faire pivoter le téléphone permet souvent d’aligner sa polarisation et ainsi d’améliorer la réception.
La polarisation circulaire est une caractéristique recherchée pour de nombreuses antennes. Ces antennes sont à polarisation circulaire et ne subissent aucune perte de signal due à un désaccord de polarisation. Les antennes utilisées dans les systèmes GPS sont à polarisation circulaire droite.
Supposons maintenant qu'une antenne à polarisation linéaire reçoive des ondes à polarisation circulaire. De manière équivalente, supposons qu'une antenne à polarisation circulaire tente de recevoir des ondes à polarisation linéaire. Quel est le facteur de perte de polarisation résultant ?
Rappelons que la polarisation circulaire est en réalité la superposition de deux ondes polarisées linéairement et orthogonales, déphasées de 90 degrés. Par conséquent, une antenne à polarisation linéaire (PL) ne recevra que la composante de phase de l'onde à polarisation circulaire (PC). De ce fait, l'antenne PL présentera une perte due au désaccord de polarisation de 0,5 (-3 dB). Ceci est valable quel que soit l'angle de rotation de l'antenne PL.
Le facteur de perte de polarisation est parfois appelé rendement de polarisation, facteur d'adaptation d'antenne ou facteur de réception d'antenne. Tous ces termes désignent le même concept.
Date de publication : 22 décembre 2023
