La polarisation des antennes


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Toute onde électromagnétique est "polarisée". Donc le transconducteur entre l'énergie produite par  l'émetteur et l'espace, à savoir l'antenne, va jouer un rôle primordial dans la détermination de cette polarisation. Faisons le tour de la question.

Polarisation :

Un critère important dans les transmissions radio est la polarisation de l'onde électromagnétique. Il est souhaitable que les antennes des deux correspondants soient polarisées identiquement, ce qui ne nous met pas à l'abri d'une rotation de polarisation sur un parcours donné.

On définira au moins trois types  de polarisations :

1 - Polarisation linéaire
2 - Polarisation circulaire
3 - Polarisation elliptique

Quand on parle de polarisation, on parle de l'orientation du champ électrique de l'onde électromagnétique. Les deux vecteurs représentatifs des champs magnétique et électrique sont orthogonaux (perpendiculaires entre eux). Le sens du déplacement est donné par la flèche rouge. L'onde électromagnétique se déplace à la vitesse de la lumière dans le vide (300 000 km/s).

Définition de la polarisation :

La polarisation d'une onde électromagnétique est décrite par l'orientation de son champ électrique. Si celui-ci est parallèle à la surface de la terre, la polarisation est linéaire horizontale, s'il est perpendiculaire à la surface de la terre la polarisation est linéaire verticale, s'il tourne, la polarisation est circulaire.

Pour toutes les antennes filaires ou à brins rayonnants comme les Yagis, la polarisation est simple à déterminer puisque identique à l'orientation physique de l'antenne. Un brin vertical polarisera verticalement, un brin horizontal produira une polarisation horizontale. Sachez toutefois que ce n'est pas aussi simple pour une loop par exemple, car le point d'alimentation détermine la polarisation, nous aurons l'occasion d'y revenir.

Pourquoi faut-il utiliser la même polarisation des deux côtés d'une liaison ?

Question légitime à laquelle la réponse suivante est apportée en images :

  • Dans le premier cas, l'onde reçue est de même polarisation, tout va bien. 
  • Dans le second cas, l'onde  a subi une légère rotation (rotation dans l'ionosphère, inclinaison d'une antenne mobile etc.) 
  • Dans le troisième cas, on est en présence d'un signal émis en polarisation verticale et reçu en polarisation horizontale. La bonne question à se poser et de savoir quelle seront les dégradations en termes de puissance du signal que ces rotations vont produire.

a représente l'écart angulaire de polarisation entre un signal et l'antenne que ce soit en émission ou réception.

 

  • On désigne par PLF (Polarization Loss Factor) la perte de signal en dB due au non alignement de polarisation. Voyons quelques valeurs chiffrées :

a

Perte en dB

a

Perte en dB

50° 3,8
0,03 60° 6
10° 0,13 70° 9,3
20° 0,54 80° 15,2
30° 1,25 85° 21,1
45° 3 90° théoriquement infinie

Ce tableau très instructif laisse apparaître clairement qu'un désalignement de polarisation jusqu'à 20° n'est guère pénalisant (0,5 dB) par contre l'orthogonalité des polarisations amène une atténuation qui est théoriquement infinie. L'adverbe théoriquement est employé à bon escient car en pratique il est difficile sinon impossible d'obtenir ces conditions (sauf malchance inouïe) et on n'atteint jamais les exigences de la théorie. Ceci explique que vous receviez certes très atténué, le signal d'une station  émettant en polarisation verticale avec une antenne polarisée horizontalement. A titre indicatif, un écart angulaire de 89,5° produit "seulement" 41 dB d'atténuation.

 
Les trois types de polarisations :

La polarisation des champs électromagnétiques décrit les variations dans le temps des vecteurs représentant ces champs, en d'autres termes, elle décrit les changements de direction et l'amplitude dans le temps. Bon tout ceci est peut-être un peu nébuleux, vite un dessin.

  • Ces figures montrent le vecteur E représentant le champ électrique pour les 3 types de polarisations. Dans le cas de la polarisation linéaire, on trouve les polarisations verticales et horizontales. Dans cet exemple, en supposant l'axe x parallèle à la surface de la terre, la polarisation est linéaire verticale.
  • Dans le cas de la polarisation circulaire  w représente la pulsation (2pf).
  • Concernant la polarisation elliptique, l'amplitude du vecteur champ électrique évolue sur un tour.

Voici d'une manière imagée une représentation de la polarisation horizontale. Ce schéma ne fait pas apparaître les variations d'amplitude du champ électrique.
Comment produire une polarisation linéaire horizontale ou verticale ?

Simplement en orientant le brin alimenté parallèlement à la surface de la terre pour une polarisation horizontale et perpendiculairement pour une polarisation verticale. Pour un bout de fil c'est assez intuitif, de même que pour une Yagi, en revanche avec une antenne en forme de carré par exemple la réponse n'est pas aussi instantanée sauf à connaître la règle suivante :

La polarisation d'une antenne boucle (dont la longueur n'est pas petite devant la longueur d'onde) que celle-ci soit carrée, circulaire, triangulaire, produit une polarisation perpendiculaire au point d'alimentation. Si l'antenne est alimentée en bas ou en haut, la polarisation du champ électrique sera horizontale, si elle est alimentée par un côté, la polarisation sera verticale.

Polarisation horizontale. Le point d'alimentation peut se situer en haut ou en bas de la boucle.
Polarisation verticale.  Le point d'alimentation peut se situer à droite ou à gauche de la boucle.

Et voici une autre animation représentant le champ électrique polarisé verticalement. Les mêmes réserves que précédemment s'appliquent à ce schéma qui n'est qu'une représentation imagée du phénomène.

La polarisation  circulaire ?

  • Bien que d'un usage peu fréquent, cette polarisation est indispensable dès lors que l'on se trouve confronté à des rotations de polarisation non contrôlables, c'est typiquement le cas des satellites. Un satellite en tournant sur lui-même produit des rotations de polarisation et si vous vous reportez au tableau des atténuations en début de page, vous mesurerez combien le signal peut être affecté par ce phénomène. Ce n'est pas le seul cas. 
    En polarisation circulaire, on va s'arranger pour faire tourner l'onde électromagnétique d'un tour par cycle, en d'autres termes si vous émettez que 144 MHz, les champs vont tourner 144 millions de fois par seconde. 

  • On distinguera au sein de la polarisation circulaire, deux types, les polarisations circulaires droite et gauche notées RHCP (Right Hand Circular Polarization) et LHCP (Left Hand Circular Polarization) et pour les francophones intransigeants Dextrogyre et Levrogyre.

Pour établir une comparaison avec les polarisations linéaires, voyons ce que cela donne en image :

Comment produire une polarisation circulaire ?

Au moins de deux façons :
  • en utilisant deux dipôles croisés que l'on va alimenter d'une manière très particulière qui va consister à retarder l'alimentation d'un dipôle par rapport à l'autre d'un quart de période.
  • en utilisant une antenne qui va naturellement produire cette polarisation, l'antenne hélice.

Dans tous les cas de figure, l'atténuation entre une polarisation circulaire et une polarisation linéaire sera de 3 dB et c'est extrêmement intéressant car en utilisant cette polarisation nous pourrions, moyennant une atténuation de 3dB, communiquer avec la même antenne tant avec les stations fixes des vrais radioamateurs qui trafiquent en SSB sur 144 MHz et en polar horizontale qu'avec les mobiles polarisés verticalement. Cette dernière remarque était faite sous forme de boutade car 3dB en trafic tropo sont inacceptables et les mobiles ne trafiquent plus maintenant que sur les relais mais quand même ce n'est pas si stupide que cela pour des liaisons à moyenne distance (300 km).
Voici à titre de comparaison ce que donne une polarisation circulaire par rapport à une polarisation plane. Vous pouvez aussi considérer la sinusoïde du bas comme l'énergie HF que vous fournissez à votre antenne et ce qu'elle produit sous forme de champs.

La solution dipôles croisés :

Voilà l'allure de l'antenne. Que vous vous la confectionniez-vous même ou que vous l'achetiez toute faite, elle ressemblera fortement à cette représentation. Ce n'est que l'assemblage de deux antennes, l'une en polarisation horizontale et l'autre en polarisation verticale. Nous allons nous intéresser de plus près au système d'alimentation car d'une part il va falloir retarder l'alimentation d'un dipôle et d'autre part réaliser l'adaptation d'impédance car nous allons mettre les 2 dipôles en parallèle. 

Voilà l'objectif à atteindre, si l'on considère que la sinusoïde bleue est le dipôle A et la jaune le dipôle B, on constate que B accuse un retard de 90° par rapport à A et naturellement que ce retard est constant (of course!). Pour réaliser ce prodige de technologie, nous allons insérer une ligne à retard dans l'alimentation du dipôle B constituée d'un simple tronçon de ligne mesurant une longueur électrique d'un quart d'onde (1/4 l). Ceci implique qu'il faut tenir compte du coefficient de vélocité du câble.

L'alimentation des dipôles et la sélection droite ou gauche :

Pour bien comprendre le mécanisme, et pour faire simple, nous allons voir comment cela se passe avec des dipôles repliés (trombones). Tout ce qui sera dit sera facilement transposable sur tout type de dipôles.

Attention, il s'agit du schéma de principe. Le symbole "+" représente le point chaud du dipôle, là ou se connecte l'âme du coaxial, l'autre côté représente la masse. Le coupleur réalise l'adaptation d'impédance (les 2 antennes sont en //) avec le câble coaxial utilisé. Quand on alimente le coupleur, le dipôle A voit l'énergie le premier, un quart de période plus tard, c'est au tour du dipôle B, le champ a bien tourné du haut vers la droite. Le phénomène est naturellement répétitif sur tout le cycle et sur tous les cycles, nous sommes parvenus à la polarisation circulaire droite. Si nous souhaitons obtenir une polarisation circulaire gauche, il suffit (sic!) de déplacer le tronçon 1/4 d'onde du dipôle B vers le dipôle A. Pour ceux qui ne le saurait pas, le point chaud sur une antenne Tonna est représenté par un point sur la matière thermoplastique qui protège le dipôle. Quand vous avez un doute concernant ces fameux points, prenez un dipôle bien repéré, mettez le horizontalement, puis faites le basculer de 90°. Si par mégarde vous n'alimentiez pas vos dipôles en respectant ceci, les résultats seraient étonnants...

La solution antenne hélice  :

Cette antenne a été inventée par le célèbre et fameux W8JK. Là les choses sont a priori plus simples car c'est le sens de rotation de l'hélice qui détermine le sens de rotation de la polarisation.  Si le pas est à droite, l'antenne est polarisée circulaire droite, inversement si le pas est à gauche, l'antenne est polarisée circulaire gauche.

Les petits soucis de la polarisation circulaire :


Rien n'est parfait dans ce bas monde, cela vous le saviez déjà. Il est difficile d'obtenir des champs rigoureusement identiques sur une antenne croisée (interaction d'éléments, dissymétries diverses et variées) et le résultat est un champ distordu et non régulier sur un cycle, on s'approche alors de la polarisation elliptique involontaire...

Qu'advient-il de la polarisation en cas de réflexion sur un obstacle ?

Question intéressante, que se passe-t-il quand nos ondes sont réfléchies par la lune, une colline à proximité, un massif montagneux (le pyrénéens qui trafiquent par réflexion sur le Pic du Midi en savent quelque chose)?

Deux cas à étudier selon que vous émettez selon une polarisation circulaire ou linéaire :

Polarisation linéaire Polarisation circulaire

La polarisation est conservée.

Si vous émettez en horizontal, le signal réfléchi sera toujours en polarisation horizontale, idem naturellement pour la polarisation veritcale.

La polarisation est inversée.

Si vous émettez en polarisation circulaire droite, le signal réfléchi reviendra en polarisation circulaire gauche.
Et pour conclure ...

L'idéal serait de pouvoir commuter la polarisation de nos antennes pour émettre et recevoir sur celle qui donne de meilleurs résultats. Les signaux ont tendance à subir des rotations de polarisation, pouvoir choisir sa polarisation pour un radioamateur est un plus.  Pour en terminer avec le sujet (mais pas d'une manière définitive) il existe un cas de rotation"géographique" plutôt inattendu. Vous savez qu'un certain nombre d'amateurs (de haut niveau) établissent des liaisons sur 144 MHz et au dessus par réflexion sur la lune (EME), c'est certainement le DX ultime pour nous terriens. Dans un cas de figure bien particulier, quand la lune est au sud pour nous Européens, un signal émis en polarisation horizontale va arriver en polarisation quasi verticale au centre des Etats Unis. Incroyable non ? Et pourtant !


Fin du voyage dans le monde de la polarisation des antennes. Si vous en avez la possibilité, installez une commutation de polarisation sur votre loop, un jour ceci pourra être intéressant. Si vous trafiquez par satellite, vous êtes déjà convaincu.




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Révision 01 du 26/11/2002