Polarisation d'antenne : de quoi s'agit-il et pourquoi est-ce important ?

Les ingénieurs en électronique savent que les antennes rayonnent et reçoivent des signaux sous forme d'ondes électromagnétiques (EM), telles que définies par les équations de Maxwell. Comme pour de nombreux sujets, ces équations (ainsi que la propagation et les attributs électromagnétiques) peuvent être examinées à différents niveaux, de conditions relativement qualitatives à des équations compliquées.

La polarisation est l'un des nombreux aspects de la propagation d'énergie électromagnétique qui peuvent avoir différents degrés d'impact ou de préoccupation dans une application et dans la conception de l'antenne associée. Ses principes de base s'appliquent à tous les rayonnements électromagnétiques, notamment les systèmes RF/sans fil et l'énergie optique, et la polarisation est souvent utilisée dans les applications optiques. Ici, nous nous intéresserons uniquement aux applications RF.

Qu'est-ce que la polarisation d'antenne ?

La compréhension de la polarisation commence par les principes de base des ondes électromagnétiques. Ces ondes se composent d'un champ électrique (champ E) et d'un champ magnétique (champ H) se déplaçant dans une seule direction. Ces deux champs sont perpendiculaires l'un à l'autre et à la direction dans laquelle l'onde plane se propage.

La polarisation fait référence au plan du champ électrique vu depuis l'émetteur du signal : pour une polarisation horizontale, le champ électrique se déplace sur les côtés dans un plan horizontal, tandis que pour une polarisation verticale, le champ électrique oscille vers le haut et le bas dans un plan vertical (Figure 1).

Figure 1 : Une onde électromagnétique est composée d'un champ électrique et d'un champ magnétique à angles droits l'un par rapport à l'autre. (Source de l'image : Electronics-Notes)

Une paire d'antennes d'émission et de réception fonctionne mieux lorsque la polarisation des antennes d'émission et de réception se trouve dans le même plan. Bien sûr, « dans l'espace, personne ne vous entendra crier » (pardon, petit clin d'œil au grand classique de 1979, Alien). Et il est vrai aussi qu'il n'existe pas de notion d'horizontalité ou de verticalité dans l'espace. Néanmoins, le concept de polarisation et d'alignement d'antenne pour un niveau maximal de capture et de transfert de l'énergie du signal reste valable.

Polarisation linéaire et circulaire

Il existe plusieurs modes de polarisation :

• Dans la polarisation linéaire de base, les deux polarisations possibles sont orthogonales (à angles droits) l'une par rapport à l'autre (Figure 2). En théorie, une antenne de réception avec polarisation horizontale ne « voit » pas un signal émis par une antenne avec polarisation verticale, et vice versa, même si les deux antennes fonctionnent à la même fréquence. Plus elles sont alignées de manière rapprochée, plus la capture du signal est élevée, avec un transfert d'énergie maximal lorsque les polarisations correspondent.

Figure 2 : La polarisation linéaire offre deux options de polarisation à angles droits l'une par rapport à l'autre. (Source de l'image : Mimosa Networks, Inc.)

• La polarisation oblique d'une antenne est une variation de la polarisation linéaire. Comme pour la polarisation horizontale et verticale de base, elle a un sens uniquement dans un contexte terrestre. La polarisation oblique présente un angle de ±45 degrés par rapport à un plan de référence horizontal. Même s'il s'agit en réalité d'une autre forme de polarisation linéaire, le terme « linéaire » fait généralement uniquement référence aux antennes qui sont polarisées horizontalement ou verticalement.

Un signal envoyé (ou reçu) par une antenne oblique peut être utilisé avec une antenne à polarisation horizontale ou verticale, mais avec un peu de perte. Une antenne à polarisation oblique est utile lorsque la polarisation de l'une des antennes ou des deux est inconnue ou change au cours de l'utilisation.

• La polarisation circulaire (CP) est plus compliquée que la polarisation linéaire. Dans ce mode, la polarisation représentée par le vecteur du champ E tourne à mesure que le signal se propage. Lorsqu'elle tourne vers la droite, vue depuis l'émetteur, la polarisation est appelée polarisation circulaire droite (RHCP). Lorsqu'elle tourne vers la gauche, elle est appelée polarisation circulaire gauche (LHCP) (Figure 3).

Figure 3 : Dans la polarisation circulaire, le vecteur du champ E de l'onde électromagnétique tourne. Cette rotation peut se faire vers la droite ou vers la gauche. (Source de l'image : JEM Engineering)

Un signal CP est composé de deux ondes orthogonales déphasées. Pour créer ce signal, trois conditions sont requises. Le champ E doit avoir deux composants orthogonaux, ils doivent présenter un déphasage de 90 degrés et avoir la même grandeur. Une manière simple de créer un signal CP consiste à utiliser une antenne hélicoïdale.

• La polarisation elliptique (EP) est une variation de la polarisation circulaire. Les ondes à polarisation elliptique sont générées avec gain à partir de deux ondes à polarisation linéaire, comme les ondes CP. Lorsque deux ondes à polarisation linéaire perpendiculaires l'une à l'autre avec des amplitudes inégales sont combinées, l'onde à polarisation elliptique est produite.

La désadaptation de la polarisation entre les antennes est caractérisée par le facteur de pertes par polarisation (PLF). Ce paramètre s'exprime en décibels (dB) et dépend de la différence angulaire de la polarisation entre les antennes d'émission et de réception. En théorie, le PLF peut aller de 0 dB (aucune perte) pour les antennes parfaitement alignées à des dB infinis (perte infinie) pour les antennes parfaitement orthogonales.

En pratique, cependant, l'alignement (ou le désalignement) de la polarisation n'est pas parfait, car la position mécanique des antennes, les actions des utilisateurs, la distorsion du canal, les réflexions de plusieurs trajets et d'autres phénomènes entraînent des torsions angulaires du champ électromagnétique émis. Initialement, les polarisations orthogonales peuvent avoir une « fuite » de signal par polarisation croisée de 10 à 30 dB, voire plus, ce qui peut suffire à interférer avec la récupération du signal souhaité dans certains cas.

À l'inverse, deux antennes avec une polarisation et un alignement parfaits peuvent avoir un PLF réel de 10 ou 20 dB, voire plus, selon les spécificités de la situation, ce qui peut gêner la récupération du signal. En d'autres termes, la polarisation croisée imprévue et le PLF fonctionnent dans les deux sens en interférant avec le signal souhaité ou en réduisant sa force.

Pourquoi se soucier de la polarisation ?

La polarisation fonctionne de deux manières : plus deux antennes alignées sont proches et ont la même polarisation, plus la force du signal reçu est élevée. À l'inverse, avec une polarisation mal alignée, un récepteur prévu ou inattendu peut avoir plus de mal à capturer suffisamment de signaux utiles. Dans de nombreux cas, le « canal » déforme la polarisation émise, ou l'une des antennes ou les deux ne sont pas orientées de manière fixe et statique.

Le choix de la polarisation à utiliser est typiquement déterminé par l'installation ou les conditions atmosphériques. Par exemple, une antenne à polarisation horizontale est plus performante et conserve sa polarisation lorsqu'elle est montée près d'un plafond. À l'inverse, une antenne à polarisation verticale présente des performances de polarisation plus proches de ses performances nominales lorsqu'elle est montée près d'une paroi latérale.

L'antenne dipôle largement utilisée (standard ou repliée) a une polarisation horizontale dans son orientation de montage « normale » (Figure 4) et est souvent tournée à 90 degrés pour présenter une polarisation verticale lorsque cela s'avère nécessaire ou pour prendre en charge un mode de polarisation privilégié (Figure 5).

Figure 4 : Une antenne dipôle est généralement montée à l'horizontale sur son mât pour fournir une polarisation horizontale. (Source de l'image : KAC Radio)

Figure 5 : Pour les applications qui nécessitent une polarisation verticale, le montage de l'antenne dipôle sur le mât peut être ajusté en conséquence. (Source de l'image : Progressive Concepts)

La polarisation verticale est souvent utilisée pour les radios mobiles portatives, comme celles utilisées par les secouristes, car de nombreuses conceptions d'antennes radio à polarisation verticale fournissent aussi un diagramme de rayonnement omnidirectionnel. Par conséquent, ces antennes n'ont pas besoin d'être réorientées, même lorsque l'orientation de la radio et de l'antenne change.

Les antennes pour la bande haute fréquence (HF) de 3 à 30 mégahertz (MHz) sont souvent construites comme de longs fils simples tirés à l'horizontale entre des supports. Cette grande longueur est régie par la longueur d'onde (10 à 100 m). Ces antennes présentent naturellement une polarisation horizontale.

Il est intéressant de noter que la désignation « haute fréquence » pour cette bande a été établie il y a plusieurs dizaines d'années, quand la fréquence de 30 MHz était effectivement une haute fréquence. Même si cette désignation peut aujourd'hui sembler archaïque, il s'agit d'une désignation officielle de l'Union internationale des télécommunications qui reste couramment utilisée.

La polarisation privilégiée peut également être déterminée par le fait que le diffuseur dans la bande d'ondes moyennes (MW) de 300 kilohertz (kHz) à 3 MHz utilise des ondes directes pour une propagation plus puissante d'un signal rapproché, ou des ondes ionosphériques pour les liaisons longue distance. En général, la propagation des ondes directes est meilleure avec une antenne à polarisation verticale, tandis que les performances des ondes ionosphériques sont meilleures avec une polarisation horizontale.

La polarisation circulaire est largement utilisée avec les satellites, car leur orientation par rapport à la station au sol et aux autres satellites change constamment. Le rendement maximum entre les antennes d'émission et de réception est atteint lorsque les deux antennes présentent une polarisation circulaire, mais une antenne à polarisation linéaire peut être utilisée avec une antenne CP, avec un léger facteur de pertes par polarisation.

La polarisation est également importante pour les systèmes 5G. Certaines antennes 5G à entrées multiples/sorties multiples (MIMO) parviennent à augmenter leur débit grâce à une utilisation plus efficace du spectre disponible via la polarisation. Cela se fait en utilisant une combinaison de différentes polarisations des signaux et un multiplexage spatial (diversité spatiale) des antennes.

Le système peut émettre deux flux de données étant donné qu'ils sont connectés à des antennes distinctes avec des polarisations orthogonales qui peuvent être récupérées de manière indépendante. Même s'il existe une certaine polarisation croisée en raison de la distorsion du trajet et du canal, des réflexions, des différents trajets et d'autres imperfections, les algorithmes sophistiqués au niveau du récepteur peuvent quand même récupérer chaque signal d'origine afin de produire un faible taux d'erreur sur les bits (TEB), améliorant ainsi l'utilisation du spectre.

Les antennes standard offrent diverses options de polarisation

On pourrait facilement croire que la polarisation constitue un problème uniquement pour les grandes antennes montées sur mât et hautement visibles, mais ce n'est pas le cas. Par exemple, le modèle BOAH515905NM de PCTel est une antenne Wi-Fi à polarisation horizontale destinée à une utilisation entre 5,1 GHz et 5,9 GHz, ciblant principalement les points d'accès 802.11ac en extérieur (Figure 6).

Figure 6 : L'antenne Wi-Fi à polarisation horizontale BOAH515905NM de PCTel est conçue pour fournir un point d'accès extérieur pour une connectivité Wi-Fi de 5,1 GHz à 5,9 GHz (802.11ac). (Source de l'image : PCTel)

L'antenne entièrement étanche, avec indice de protection IP67, est logée dans un radôme en plastique renforcé blanc résistant aux ultraviolets (UV) qui inclut un connecteur type N à montage sur panneau (versions mâle et femelle disponibles). Le système mesure 3,20 cm de diamètre extérieur × 16,1 cm de longueur, fournit un gain nominal de 5 dBi et présente un rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) inférieur à 2:1 dans l'ensemble de la bande désignée.

La polarisation peut également être intégrée dans des antennes beaucoup plus petites. Le modèle PC140.07.0100A de Taoglas est une antenne à polarisation circulaire de 2,45 GHz (valeur nominale) pour les applications Bluetooth, Wi-Fi et ISM (industrielles, scientifiques et médicales) (Figure 7).

Figure 7 : Cette antenne PC140.07.0100A ultracompacte de Taoglas est conçue pour être embarquée dans un boîtier avec le circuit imprimé du système. (Source de l'image : Taoglas)

Cette antenne de 50 ohms (Ω) ultracompacte, mesurant seulement 57 mm × 57 mm et 0,97 mm d'épaisseur, est équipée d'un câble coaxial de 1,13 mm de diamètre et de 100 mm de long, terminé par un connecteur IPEX (un connecteur standard de 50 Ω à montage en surface qui se soude directement sur la carte à circuit imprimé). L'antenne est composée de matériau de circuit imprimé FR-4 et se monte facilement grâce à son patch adhésif intégré.

Le diagramme de rayonnement de cette antenne est hautement omnidirectionnel, comme le montrent ses diagrammes X-Y et X-Z (Figure 8) Son rapport ROS est inférieur à 2:1 et son rendement s'élève à environ 60 % sur la bande de fonctionnement de 2,4 GHz à 2,5 GHz.

Figure 8 : Les diagrammes de rayonnement de l'antenne PC140.07.0100A de Taoglas montrent sa nature plutôt omnidirectionnelle dans les plans X-Y (à gauche) et X-Z (à droite). (Source de l'image : Taoglas)

Conclusion

La polarisation est un attribut important des antennes qui est souvent négligé. Des polarisations linéaires (horizontales et verticales), obliques, circulaires et elliptiques sont utilisées dans différentes applications. Elles offrent des plages de performances RF de bout en bout, selon leur orientation et leur alignement relatifs. Des antennes standard sont disponibles avec différentes polarisations et pour différentes parties du spectre, offrant ainsi la polarisation privilégiée pour l'application cible.

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Références

1. JEM Engineering, "Intro to Antenna Polarization"

https://jemengineering.com/blog-intro-to-antenna-polarization/

2. Mimosa Networks, Inc., "Antenna Polarization Basics"

https://mimosa.co/white-papers/antenna-polarization

3. Mimosa Networks, Inc., "Demystifying Antenna Polarizations"

https://mimosa.co/white-papers/antenna-polarization-2

4. Electronics-Notes, "Antenna Polarization"

https://www.electronics-notes.com/articles/antennas-propagation/antenna-theory/polarisation-polarization.php

5. Antenna-theory.com, "Polarization of Plane Waves"

https://www.antenna-theory.com/basics/polarization.php

6. Electronics Desk, "Antenna Polarization"

https://electronicsdesk.com/antenna-polarization.html

https://www.mpantenna.com/antenna-polarization-explained/

7. MP Antenna, Ltd., "Antenna Polarization Explained"

https://www.mpantenna.com/antenna-polarization-explained/