Polarisation des antennes : ce qu’elle est et pourquoi elle est importante

WWW.WHWIRELESS.COM

Temps de lecture estimé : 15 minutes

Chaque ingénieur en électronique sait que les antennes transmettent et reçoivent des signaux sous forme d’ondes électromagnétiques (ondes d’énergie électromagnétique), dont les propriétés peuvent être décrites par les équations de Maxwell. Comme de nombreux sujets techniques spécialisés, nous pouvons interpréter ces équations, ainsi que les règles de propagation et les caractéristiques des ondes électromagnétiques, selon plusieurs perspectives, allant de descriptions qualitatives relativement simples à des formules mathématiques complexes et détaillées.

La polarisation est l’une des nombreuses caractéristiques de la propagation de l’énergie électromagnétique. Ses effets et le degré auquel elle doit être prise en compte varient considérablement selon les différents scénarios d’application et les conceptions d’antennes correspondantes. Les principes fondamentaux de la polarisation s’appliquent à tous les rayonnements électromagnétiques, y compris les signaux radiofréquence (RF)/sans fil et l’énergie lumineuse, et la polarisation est largement utilisée dans le domaine de l’optique. Cet article couvre uniquement la bande de fréquences RF.

Qu’est-ce que la polarisation des antennes ?

Pour comprendre la polarisation, il faut d’abord maîtriser les bases des ondes électromagnétiques. Une onde électromagnétique est composée d’un champ électrique (champ E) et d’un champ magnétique (champ H) se déplaçant dans la même direction. Le champ électrique et le champ magnétique sont perpendiculaires l’un à l’autre, et tous deux sont perpendiculaires à la direction de propagation de l’onde plane.

La polarisation est définie comme le plan de vibration du champ électrique lorsqu’on observe depuis l’extrémité d’émission dans la direction du déplacement de l’onde. En polarisation horizontale, le champ électrique oscille d’un côté à l’autre dans le plan horizontal ; en polarisation verticale, le champ électrique vibre de haut en bas dans le plan vertical (voir Figure 1).

Figure 1 : Onde électromagnétique avec des composantes de champ électrique et magnétique mutuellement perpendiculaires

Les antennes d’émission et de réception forment une paire d’antennes , et les performances du système d’émission-réception atteignent leur maximum lorsque les deux partagent des plans de polarisation identiques. En clin d’œil à la célèbre réplique du film Alien — « Dans l’espace, personne ne peut vous entendre crier » — il n’existe aucune distinction inhérente entre la polarisation horizontale et verticale dans l’espace extérieur. Malgré cela, les théories d’adaptation de polarisation et d’alignement des antennes restent valables pour maximiser la transmission et la réception de l’énergie du signal.

Polarisation linéaire et circulaire

Les ondes électromagnétiques présentent plusieurs modes de polarisation :

• La polarisation linéaire de base comprend deux formes de polarisation mutuellement orthogonales (perpendiculaires) (voir Figure 2). Théoriquement, une antenne de réception à polarisation horizontale ne peut capter aucun signal émis par une antenne d’émission à polarisation verticale fonctionnant à la même fréquence, et inversement. Plus les orientations de polarisation des deux antennes sont proches, plus le signal reçu est fort ; l’efficacité du transfert d’énergie du signal atteint son maximum lorsque la polarisation est parfaitement adaptée.

Figure 2 : La polarisation linéaire offre deux formes de polarisation mutuellement orthogonales

• La polarisation inclinée est une variante de la polarisation linéaire. Comme les polarisations horizontale et verticale standard, cette définition ne s’applique qu’aux scénarios au sol. La polarisation inclinée forme un angle de ±45° par rapport au plan horizontal. Bien que la polarisation inclinée soit fondamentalement linéaire, lorsque les professionnels du secteur parlent de « polarisation linéaire », ils désignent généralement uniquement les antennes à polarisation horizontale ou verticale.
• Les signaux émis ou reçus par des antennes à polarisation inclinée peuvent être captés par des antennes purement polarisées horizontalement ou verticalement, bien qu’avec une certaine perte de signal. Les antennes à polarisation inclinée sont idéales pour les cas d’utilisation où l’état de polarisation d’une ou des deux antennes est inconnu, ou lorsque la polarisation change pendant le fonctionnement.
• La polarisation circulaire (CP) est plus complexe que la polarisation linéaire. Dans ce mode de polarisation, le vecteur du champ électrique tourne continuellement à mesure que le signal se propage. Vu depuis l’extrémité d’émission vers l’extérieur, une rotation horaire du vecteur du champ électrique est appelée polarisation circulaire droite (RHCP) ; une rotation antihoraire est appelée polarisation circulaire gauche (LHCP) (voir Figure 3).

Figure 3 : Le vecteur du champ électrique des ondes électromagnétiques à polarisation circulaire tourne, séparé en types droit et gauche

Les signaux à polarisation circulaire sont formés par la superposition de deux ondes électromagnétiques orthogonales avec un déphasage de 90°. Trois critères doivent être satisfaits pour générer une polarisation circulaire : le champ électrique doit contenir deux composantes orthogonales ; les deux composantes doivent présenter une différence de phase de 90° ; et les deux composantes doivent avoir une amplitude égale. Les antennes hélicoïdales offrent une solution simple pour générer des ondes à polarisation circulaire.

• La polarisation elliptique (EP) est un dérivé de la polarisation circulaire. Comme les ondes à polarisation circulaire, les ondes à polarisation elliptique sont synthétisées à partir de deux ondes à polarisation linéaire. La polarisation elliptique se forme lorsque deux ondes linéairement polarisées mutuellement perpendiculaires d’amplitudes inégales sont superposées.

Le degré de désadaptation de polarisation entre deux antennes est quantifié par le facteur de perte de polarisation (PLF), mesuré en décibels (dB). Sa valeur est déterminée par l’angle de polarisation entre les antennes d’émission et de réception. Théoriquement, le PLF est égal à 0 dB en cas d’adaptation parfaite de polarisation (perte nulle) ; si les deux antennes sont totalement polarisées orthogonalement, le PLF tend vers l’infini (atténuation complète du signal).

Dans les applications réelles, cependant, les antennes ne peuvent pas atteindre une polarisation parfaitement adaptée ou totalement orthogonale. Un mauvais alignement lors de l’installation mécanique, des erreurs humaines d’utilisation, la distorsion du canal, les réflexions par trajets multiples et d’autres facteurs introduisent tous une déviation angulaire de la direction de polarisation du champ électrique transmis. Même si deux antennes sont conçues pour une polarisation orthogonale, une fuite de polarisation croisée de 10 à 30 dB ou plus se produit encore en pratique. Dans certains scénarios, ce signal de fuite est suffisamment fort pour interférer avec la démodulation du signal souhaité.

À l’inverse, même avec une polarisation idéale et un alignement précis de deux antennes, les facteurs environnementaux réels peuvent pousser le PLF à 10 dB, 20 dB ou plus, dégradant ainsi la réception du signal. En termes simples, une polarisation croisée involontaire et des facteurs de perte de polarisation élevés produisent deux effets indésirables : ils introduisent des signaux parasites et atténuent la puissance du signal utile cible.

Pourquoi les caractéristiques de polarisation sont importantes

La polarisation suit une règle bidirectionnelle : plus les types de polarisation de deux antennes sont alignés et cohérents, plus l’intensité du signal reçu est élevée. À l’inverse, une mauvaise adaptation de polarisation rend difficile pour les récepteurs cibles comme pour les récepteurs d’interférence de capter suffisamment de signaux utilisables. Dans la plupart des scénarios, le canal sans fil modifie l’état de polarisation du signal transmis, ou l’un des deux émetteurs-récepteurs, voire les deux, ne peuvent pas maintenir une orientation d’antenne fixe et stationnaire.

Le choix du mode de polarisation est généralement déterminé par l’environnement d’installation et les conditions de propagation atmosphérique. Par exemple, les antennes à polarisation horizontale offrent de meilleures performances de signal et une polarisation plus stable lorsqu’elles sont montées près des plafonds ; en revanche, les antennes à polarisation verticale installées contre des murs latéraux présentent un comportement de polarisation plus proche de leurs spécifications nominales.

Les antennes dipôles courantes (dipôles standard / dipôles repliés) fonctionnent en polarisation horizontale lorsqu’elles sont montées de manière conventionnelle (voir Figure 4). Si nécessaire pour s’adapter à un mode de polarisation spécifique, l’antenne peut être tournée de 90° pour passer en polarisation verticale (voir Figure 5).

FORME \* FUSIONNERFORMAT

Figure 4 : Les antennes dipôles sont généralement montées horizontalement sur des mâts pour une polarisation horizontale

FORME \* MERGEFORMAT

Figure 5 : Les antennes dipôles peuvent être installées verticalement sur des mâts pour une polarisation verticale lorsque l'application l'exige

La polarisation verticale est largement utilisée dans les talkies-walkies portables, tels que les appareils utilisés par le personnel de secours d'urgence. Cela s'explique par le fait que la plupart des antennes radio à polarisation verticale présentent des diagrammes de rayonnement omnidirectionnels — ce qui signifie que les utilisateurs n'ont pas besoin de réajuster l'azimut de l'antenne même lorsque l'orientation de l'appareil portable change constamment.

La plupart des antennes fonctionnant dans la bande des hautes fréquences (HF) de 3 à 30 MHz adoptent des structures d'antennes filaires longues simples, tendues horizontalement entre des supports. Leur grande taille physique est dictée par la longueur d'onde correspondante (10 à 100 mètres), et ces antennes sont intrinsèquement à polarisation horizontale.

Curieusement, la bande a été nommée « haute fréquence » il y a plusieurs décennies, lorsque 30 MHz était considéré comme une plage de haute fréquence. Bien que cette appellation semble aujourd'hui dépassée, elle reste la désignation officielle de la bande définie par l'Union internationale des télécommunications (UIT) et est toujours utilisée universellement.

La bande des ondes moyennes (MW) s'étend de 300 kHz à 3 MHz. La polarisation choisie par les stations de radiodiffusion dans cette bande dépend de la question de savoir si la station utilise des ondes de sol pour une couverture de signal forte à courte portée ou des ondes ionosphériques pour une transmission longue distance. Globalement, les antennes à polarisation verticale offrent une propagation des ondes de sol supérieure, tandis que les antennes à polarisation horizontale sont mieux adaptées aux communications par ondes ionosphériques.

Les communications par satellite reposent fortement sur la polarisation circulaire. Les satellites changent constamment leur orientation par rapport aux stations au sol et aux autres satellites. L'efficacité de transmission du signal atteint son maximum lorsque les deux extrémités d'émission et de réception utilisent des antennes à polarisation circulaire ; l'association d'antennes à polarisation linéaire avec des antennes à polarisation circulaire fonctionne, mais introduit un facteur de perte de polarisation mesurable.

Les caractéristiques de polarisation sont également essentielles pour les systèmes 5G. Certains réseaux d'antennes 5G à entrées multiples et sorties multiples (MIMO) exploitent la technologie de polarisation pour utiliser les ressources spectrales plus efficacement, augmentant ainsi les débits. Cela est réalisé en combinant différents modes de polarisation des signaux avec le multiplexage spatial des antennes (diversité spatiale). De tels systèmes transmettent simultanément deux flux de données indépendants, chaque flux étant acheminé vers des antennes distinctes à polarisation mutuellement orthogonale, permettant au récepteur de démoduler les deux flux séparément. Bien que des facteurs non idéaux, notamment les trajets de propagation, la distorsion du canal, les réflexions et les effets multitrajets introduisent de légères interférences de polarisation croisée, les récepteurs les atténuent en interne.

Conclusion

La polarisation est une caractéristique essentielle mais souvent négligée des antennes. La polarisation linéaire (comprenant les variantes horizontale et verticale), la polarisation inclinée, la polarisation circulaire et la polarisation elliptique conviennent chacune à des scénarios d'application distincts. L' orientation relative et le degré d'adaptation des antennes aux extrémités d'émission et de réception déterminent directement les performances globales de l'ensemble de la liaison RF. Une grande variété d'antennes standard couvrant tous les types de polarisation et les bandes de fréquences RF est disponible dans le commerce pour fournir des schémas de polarisation adaptés à toutes les applications cibles.

WWW.WHWIRELESS.COM