Qu'est-ce qu'une antenne MiMo à double polarisation ? Guide complet

Comprendre la technologie des antennes est essentiel pour toute personne travaillant dans le secteur des communications sans fil. Les antennes à double polarisation sont un composant essentiel qui affecte grandement la fonctionnalité des systèmes de communication modernes, et ce guide vous aidera à les comprendre. Dans le monde de la technologie qui évolue rapidement, il est important de comprendre les antennes à double polarisation et leur importance. Ces antennes, qui ouvrent la voie à l'amélioration des systèmes de communication, promettent une meilleure qualité de signal et une utilisation plus efficace de la bande passante.

Entrée multiple Sortie multiple (MIMO) est devenue le fondement de l'augmentation de la largeur de bande, de l'efficacité spectrale et des débits de données des réseaux. Afin de réaliser ces améliorations, la double polarisation Antennes MIMO sont essentiels en raison de leur capacité à envoyer et à recevoir des signaux sur des polarisations orthogonales.

Les variétés, les avantages, les comparaisons avec les antennes à polarisation unique et les diverses utilisations des antennes à double polarisation sont tous couverts en détail dans cet article. Ce guide complet offre une vue d'ensemble des antennes MIMO à double polarisation, couvrant tous les aspects, des fondements théoriques aux applications du monde réel.

Qu'est-ce qu'une antenne à double polarisation ?

Lorsqu'il s'agit d'envoyer et de recevoir des signaux dans deux plans de polarisation différents, généralement horizontal et vertical, une antenne à double polarisation est un excellent outil. Cette double caractéristique est essentielle pour une communication efficace, car elle permet de doubler la capacité d'un système de communication sans nécessiter plus de largeur de bande ou de puissance d'émission.

La double polarité désigne simplement la capacité d'une antenne à envoyer et recevoir simultanément des signaux dans deux plans distincts. Pour ce faire, on utilise deux ensembles d'éléments ou d'antennes placés à angle droit l'un par rapport à l'autre. Généralement horizontaux et verticaux, les deux ensembles de dispositifs sont conçus pour envoyer et recevoir des signaux dans deux plans orthogonaux. L'amélioration de la diversité des signaux et le rejet des interférences sont deux avantages des antennes à double polarité qui sont essentiels pour assurer des communications fiables dans divers types d'environnements.

Comment cela fonctionne-t-il ?

Les antennes à double polarisation fonctionnent en envoyant et en recevant simultanément des signaux dans deux polarisations distinctes. Le terme "polarisation" décrit la manière dont les ondes électromagnétiques sont orientées pendant leur propagation dans l'espace. Dans une antenne à polarisation unique, les ondes électromagnétiques se propagent dans le sens vertical ou horizontal. Dans une antenne à double polarisation, les ondes se propagent dans deux directions orthogonales, généralement verticale et horizontale.

Les antennes à double polarisation y parviennent en ayant deux ensembles d'éléments rayonnants, chacun orienté dans une polarisation distincte. En général, on utilise une disposition à polarisation croisée de ces éléments rayonnants, avec un ensemble d'éléments alignés verticalement et l'autre horizontalement.

L'antenne à double polarisation a la capacité de transmettre simultanément des signaux en polarisation verticale et horizontale. Deux flux de données distincts peuvent ainsi être transmis sur la même plage de fréquences. De la même manière, l'antenne peut recevoir simultanément des signaux dans les deux polarisations, doublant ainsi la quantité de données reçues.

Les antennes à double polarisation ont l'avantage de doubler le débit d'un canal de communication en transmettant et en recevant plus de données sur la même bande de fréquences. C'est pourquoi elles sont très efficaces dans les spectres encombrés où il est crucial de maximiser la transmission des données.

À quoi sert une antenne à double polarisation ?

Une antenne à double polarisation permet d'envoyer et de recevoir simultanément des signaux avec deux polarisations distinctes. Elle permet d'envoyer et de recevoir deux signaux ou flux de données distincts sur la même plage de fréquences. Ce type d'antenne est fréquemment utilisé dans les systèmes de communication sans fil pour permettre l'émission et la réception simultanées de nombreux signaux, augmentant ainsi la capacité et l'efficacité du système. Les systèmes radar l'utilisent également pour distinguer les signaux réfléchis par différents objets en fonction de leur polarisation.

Types de polarisation d'antenne

Polarisation verticale

En polarisation verticale, le champ électrique de l'onde électromagnétique oscille verticalement par rapport à la surface de la Terre. Dans ce cas, le champ électrique est orienté perpendiculairement au sol. Ce type de polarisation est également fréquemment utilisé dans les communications par satellite, les transmissions télévisées et les communications sans fil. Ce type de polarisation fonctionne bien en milieu urbain, où les signaux doivent traverser efficacement les bâtiments.

Polarisation horizontale

Le champ électrique oscille horizontalement en cas de polarisation horizontale. Dans ce cas, le champ électrique est parallèle au sol. Les communications par satellite et les transmissions télévisées utilisent fréquemment ce type de polarisation. La polarisation horizontale perdant moins de réflexion au sol que la polarisation verticale, elle est meilleure pour les communications à longue distance, en particulier dans les zones rurales.

Polarisation croisée (double oblique ±45°)

Lorsque deux polarisations sont supportées par l'antenne à des angles de ±45° par rapport à l'axe horizontal, cette configuration est connue sous le nom de polarisation croisée. La polarisation 45 est l'un des types de polarisation utilisés dans les communications mobiles. Elle décrit la façon dont le champ électrique d'une onde radio est orienté par rapport à la surface de la Terre. Le champ électrique est orienté à un angle de 45 degrés par rapport à la surface de la Terre dans la polarisation 45.
Les réseaux cellulaires utilisent fréquemment ce type de polarisation pour réduire les interférences et améliorer la qualité du signal. Les antennes à double polarisation sont connues pour cette disposition, qui est très utile dans les systèmes MIMO pour réduire les interférences et améliorer la qualité du signal.

Polarisation circulaire : RHCP / LHCP

Lorsqu'une onde se propage en polarisation circulaire, le champ électrique tourne de façon circulaire. La polarisation circulaire droite (PCD) et la polarisation circulaire gauche (PCG) sont les deux types de polarisation circulaire. La communication par satellite, le GPS, la RFID, la communication sans fil et les systèmes qui doivent fonctionner de manière cohérente même avec des orientations de signaux différentes utilisent tous fréquemment la polarisation circulaire.

Avantages des antennes à double polarisation

La double polarisation offre plusieurs avantages dans diverses applications. Voici quelques-uns des principaux avantages :

• Amélioration de la qualité des données

 La double polarisation offre des détails supplémentaires sur l'objet ou la scène observée. Des images et des mesures de meilleure qualité peuvent être obtenues en envoyant et en recevant des signaux dans les deux polarisations, horizontale et verticale, ce qui permet de recueillir des informations plus précises sur l'objet.

• Amélioration de l'identification des cibles  

La double polarisation permet de différencier plus facilement les différents types de cibles. Par exemple, elle peut aider à différencier la pluie, la neige, la grêle et d'autres formes de précipitations dans les applications de radar météorologique. En télédétection, elle permet de distinguer les différentes formes d'occupation du sol, notamment les zones urbaines, les forêts et l'agriculture.

• Sensibilité accrue

Les systèmes radar peuvent être rendus plus sensibles grâce à la double polarisation. Le radar peut augmenter ses capacités de détection et de mesure en captant une plus grande partie de l'énergie rétrodiffusée de la cible en envoyant et en recevant des signaux dans deux polarisations.

• Réduction des interférences

Dans les systèmes radar, la double polarisation permet de réduire les bruits parasites et les interférences. Des mesures plus propres et plus précises peuvent être obtenues en séparant le signal de la cible des signaux indésirables et du bruit de fond grâce à l'utilisation des deux polarisations.

• Amélioration des performances dans des conditions météorologiques défavorables

Dans des conditions défavorables, telles que de fortes pluies ou de la neige, la double polarisation donne de meilleurs résultats. Les deux polarisations peuvent être utilisées pour augmenter la précision des mesures et réduire l'effet de l'atténuation du signal.

•  Amélioration de la reconnaissance et de la classification des cibles

Les tâches impliquant la reconnaissance et la classification des cibles peuvent bénéficier de la double polarisation. Différents types de cibles peuvent être identifiés et classés en fonction de leurs caractéristiques de diffusion en examinant les caractéristiques de polarisation des signaux rétrodiffusés.

Globalement, grâce à ses nombreux avantages en termes de qualité des données, de discrimination des cibles, de sensibilité, de réduction des interférences, de performance par mauvais temps et de reconnaissance des cibles, la double polarisation est un outil utile pour diverses applications, notamment les radars météorologiques, la télédétection et la surveillance militaire.

Comparaison avec les antennes à polarisation unique (antennes SISO)

Comme les antennes à polarisation unique (SISO) n'utilisent qu'une seule polarisation, leurs performances et leur capacité sont limitées dans les situations de propagation complexes. Les distinctions significatives suivantes entre les antennes SISO et les antennes à double polarisation sont montrées par comparaison,

Les antennes à polarisation unique sont conçues pour envoyer et recevoir des signaux dans une seule polarisation, qui peut être verticale ou horizontale. Cela signifie que seuls les signaux polarisés dans la même direction peuvent être envoyés ou reçus par ces antennes. La force du signal sera considérablement réduite si la polarisation de la transmission et celle de l'antenne sont différentes.

En revanche, les antennes à double polarisation peuvent émettre et recevoir des signaux à la fois en polarisation verticale et horizontale. Elles peuvent donc interagir avec des appareils dont l'orientation de la polarisation diffère de la leur. Comme les antennes à double polarisation peuvent s'adapter à la polarisation du signal entrant, produisant des signaux plus forts et plus clairs, elles offrent un canal de communication plus fiable et plus efficace.

En conclusion, la principale différence entre les antennes à polarisation unique et les antennes à double polarisation est que les premières n'utilisent qu'une seule polarisation, alors que les secondes utilisent à la fois la polarisation horizontale et la polarisation verticale, ce qui offre une méthode plus souple et plus efficace de transmission des signaux.

Antennes MIMO 2×2 vs. 4×4

Vous rencontrerez des termes tels que 2×2, 4×4 et 8×8 MIMO si vous avez déterminé que vous avez besoin d'un système MIMO plutôt que d'une antenne unique. Dans un système MIMO, ces nombres représentent le nombre d'émetteurs (le premier nombre) et de récepteurs (le second nombre).

2×2 MIMO

Un système MIMO 2×2 se compose de deux émetteurs et de deux récepteurs. Les deux antennes sont généralement "polarisées transversalement", c'est-à-dire qu'elles sont positionnées l'une sur l'autre en forme de "x" ou de "+", de manière à être séparées l'une de l'autre. Cette configuration permet d'envoyer et de recevoir simultanément deux flux de données. De nombreux routeurs WiFi grand public et certains appareils 4G et 5G utilisent fréquemment la technologie 2×2 MIMO. Bien que 2×2 n'offre pas le même niveau de performance que les systèmes MIMO d'ordre supérieur, les débits de données sont généralement supérieurs de 30% à ceux des systèmes SISO (Single Input, Single Output). Les réseaux Wi-Fi et LTE utilisent fréquemment cette configuration car elle permet d'améliorer légèrement la couverture et les débits de données.

4×4 MIMO

En utilisant quatre émetteurs et quatre récepteurs, un système MIMO 4×4 augmente considérablement la capacité et la fiabilité du réseau. Il est très avantageux pour les applications à haut débit telles que la 5G et les réseaux sans fil complexes. Il permet d'augmenter de 30% le débit de données par rapport au système MIMO 2×2 et d'obtenir jusqu'à quatre flux de données "spatialement multiplexés". Les routeurs WiFi haut de gamme et certains appareils 4G et 5G de pointe utilisent fréquemment la technologie 4×4 MIMO. En pratique, deux antennes à polarisation croisée 2×2 constituent généralement une antenne MIMO 4×4. Les antennes sont simplement placées à l'intérieur de l'appareil.

Types d'antennes à double polarisation

Antenne sectorielle à double polarisation

Les antennes sectorielles à double polarité utilisent un diagramme de rayonnement en forme de secteur dans le plan horizontal pour l'émission et la réception. Une couverture plus large ou omnidirectionnelle peut être obtenue en combinant plusieurs antennes sectorielles ; la couverture est souvent de 60, 90 ou 120 degrés.
Les stations de base utilisent des antennes sectorielles à double polarisation pour couvrir des secteurs particuliers. Elles sont parfaites pour les systèmes d'accès sans fil fixes et les réseaux cellulaires. En termes simples, les antennes sectorielles sont des antennes panneau plus grandes avec une isolation avant-arrière et une directivité améliorées.

Antenne panneau à double polarisation

Ces antennes plates polyvalentes sont utilisées pour les connexions de bâtiment à bâtiment et les communications point à point. Les antennes panneaux sont des antennes rectangulaires et plates qui sont généralement fixées sur des murs ou d'autres structures à l'extérieur ou utilisées à l'intérieur. Pour concentrer la couverture dans une région ou une direction particulière, elles offrent un signal relativement directionnel. Lorsqu'il y a des obstacles entre vous et l'antenne relais, les antennes panneaux peuvent améliorer les performances car elles sont généralement faciles à cibler et captent bien les signaux réfléchis.

Antenne à double polarisation pour montage au plafond

Pour une couverture sans fil homogène, les antennes montées au plafond sont conçues pour les applications intérieures, y compris les espaces publics et les bureaux. En raison de leur capacité à envoyer et à recevoir des signaux dans les plans horizontal et vertical, les antennes de plafond à double polarisation sont de plus en plus courantes. Ces antennes, qui sont montées au plafond, améliorent la couverture à l'intérieur, en particulier dans les lieux à forte circulation.

Antenne omnidirectionnelle à double polarisation

Les systèmes Wi-Fi et de surveillance qui nécessitent une couverture à 360 degrés utilisent souvent des antennes omnidirectionnelles, qui diffusent des signaux dans toutes les directions. Les antennes omnidirectionnelles peuvent envoyer et recevoir des signaux dans un cercle de 360 degrés. Elles n'ont pas besoin d'être orientées vers une tour de téléphonie cellulaire car elles captent des signaux provenant de toutes les directions. Elles permettent d'augmenter la puissance du signal pour un grand nombre d'opérateurs. Elles fonctionnent bien dans des circonstances où il y a un signal modéré ou fort.

Antenne parabolique à double polarisation

Les antennes paraboliques à double polarisation offrent un gain élevé et une focalisation précise du faisceau, ce qui les rend parfaites pour les communications longue distance. Les communications sans fil à longue distance utilisent fréquemment des antennes paraboliques, qui sont des antennes hautement directionnelles. Elles se distinguent par leur forme parabolique, qui permet de focaliser le signal en un faisceau étroit. Lorsqu'un signal fort et focalisé est nécessaire sur de longues distances, les antennes paraboliques sont parfaites car elles peuvent produire un gain très élevé. Les radars et les systèmes satellitaires les utilisent largement.

Antenne Yagi à double polarisation

Les antennes Yagi sont parfaites pour les communications point à point en raison de leurs caractéristiques directionnelles. Un bon exemple est l'antenne Yagi à double polarisation de KP Performance, qui offre d'excellentes performances dans les zones isolées et rurales. Ces antennes yagi sont conçues et testées sur le terrain pour offrir une pénétration et des performances supérieures dans les arbres.

Applications de l'antenne à double polarisation

Les antennes MIMO à double polarisation sont utilisées dans différents domaines. De nombreux systèmes de communication sans fil utilisent des antennes à double polarisation, notamment les systèmes de communication par satellite, les stations de base cellulaires, les réseaux Wi-Fi et les communications micro-ondes point à point. Elles sont particulièrement utiles dans les situations qui exigent des débits de données élevés et une utilisation efficace du spectre.

1. Liaisons micro-ondes point à point

Les liaisons micro-ondes point à point, qui nécessitent un débit de données élevé sur de longues distances, utilisent souvent des antennes à double polarisation. Ces antennes optimisent l'efficacité de la bande passante en prenant en charge deux flux de données indépendants sur des polarisations orthogonales. Cette caractéristique est essentielle pour les réseaux de collecte des opérateurs de téléphonie mobile, qui nécessitent une transmission fiable de quantités massives de données. En outre, la conception à double polarisation améliore la stabilité de la liaison dans les déploiements à haute densité en réduisant les interférences.

2. Stations de base cellulaires

Les antennes à double polarisation sont des éléments essentiels des stations de base des réseaux cellulaires. Elles permettent l'utilisation de technologies de pointe telles que le MIMO, qui améliorent l'utilisation du spectre et la capacité du réseau. Ces antennes garantissent la meilleure transmission et réception possible du signal dans les zones urbaines et rurales en prenant en charge les polarisations verticales et horizontales. Les consommateurs mobiles bénéficient ainsi d'une meilleure couverture, de débits de données plus rapides et d'une meilleure connectivité.

3. Réseaux Wi-Fi

Les réseaux Wi-Fi utilisent de plus en plus d'antennes à double polarisation, en particulier dans les points d'accès publics et dans les entreprises. La fourniture d'un accès internet à haut débit à de nombreux utilisateurs en même temps nécessite une utilisation efficace du spectre disponible, ce qui est garanti par leur capacité à gérer différentes polarisations. Cette capacité est particulièrement utile dans les lieux très fréquentés, notamment les stades, les centres de conférence et les aéroports, où un accès fiable est nécessaire.

4. Systèmes de communication par satellite

Les antennes à double polarisation sont essentielles pour les systèmes de communication par satellite car elles peuvent faciliter les opérations simultanées de liaison montante et descendante sur des polarisations orthogonales. En plus d'accroître l'efficacité du spectre, cette disposition permet aux satellites de desservir plus de clients ou d'applications à la fois. En outre, la double polarisation réduit les interférences causées par le chevauchement des signaux, ce qui garantit une communication fiable et précise. Les applications comprennent la radiodiffusion, le suivi météorologique et le GPS.

Facteurs à prendre en compte lors de la sélection des antennes

• Fréquence:

La fréquence opérationnelle doit correspondre à l'application prévue pour garantir des performances optimales. Par exemple, les fréquences basses sont mieux adaptées aux communications longue distance, tandis que les fréquences élevées offrent de meilleurs débits de données pour les applications à courte portée telles que le Wi-Fi et la 5G.

5 Les antennes à double polarisation GHz fonctionnent dans la gamme 4,9-5,9 GHz, couvrant des bandes sans licence comme IEEE 802.11a/n/ac pour la communication Wi-Fi. Le transfert de données à grande vitesse est rendu possible par la largeur de bande substantielle disponible à ces fréquences sans licence, et parce qu'elles ne sont pas aussi largement utilisées, il y a moins d'interférences qu'à des fréquences plus basses.

• Gain:

Les antennes à gain élevé offrent une meilleure portée et une plus grande force de signal, mais cela se fait souvent au détriment d'une largeur de faisceau plus étroite. Les antennes à gain élevé sont idéales pour les communications point à point sur de longues distances, tandis que les antennes à gain plus faible sont plus adaptées aux zones de couverture plus larges, comme dans les configurations omnidirectionnelles.

• L'isolement:

Une bonne isolation entre les polarisations minimise les interférences entre les signaux transmis et reçus sur des polarisations orthogonales. Ceci est particulièrement important dans les systèmes MIMO, où une mauvaise isolation peut dégrader les performances et réduire le débit des données.

• Polarisation:

Le choix de la bonne polarisation améliore l'efficacité du système en assurant un alignement optimal du signal entre l'émetteur et le récepteur. Par exemple, la double polarisation (horizontale et verticale) est idéale pour les systèmes MIMO, tandis que la polarisation circulaire est bénéfique pour les communications par satellite afin de réduire la dégradation du signal causée par les conditions atmosphériques.

• Type de connecteur:

Le connecteur doit être compatible avec la ligne de transmission du système afin de garantir une perte de signal minimale et un transfert de puissance efficace. Les types de connecteurs les plus courants sont les SMA, les N et les TNC, chacun étant choisi en fonction de la gamme de fréquences, de la puissance admissible et des conditions environnementales de l'application.

L'importance de la polarisation de l'antenne

La polarisation de l'antenne est importante. L'orientation des ondes électromagnétiques qu'une antenne émet ou reçoit est appelée polarisation. La polarisation d'une antenne se présente sous deux formes principales : verticale et horizontale.
Pour obtenir les meilleurs résultats, la polarisation d'une antenne doit coïncider avec la polarisation du signal envoyé ou reçu. L'intensité et la qualité du signal sont meilleures lorsque les polarisations s'alignent, ce qui permet une transmission ou une réception efficace.

Si les polarisations ne sont pas alignées, l'intensité du signal peut être réduite, voire totalement bloquée. En effet, le signal subit un phénomène connu sous le nom de perte de polarisation lorsque les polarisations sont perpendiculaires l'une à l'autre. Cette perte, qui se produit lorsque le champ électrique du signal ne peut pas se coupler à l'antenne, entraîne une réduction de l'intensité du signal et éventuellement de mauvaises performances de communication.
La polarisation de l'antenne influence l'efficacité du système et la pénétration du signal en plus de l'alignement. Par exemple, comme la polarisation verticale améliore la pénétration du signal au-dessus des obstacles tels que les arbres et les bâtiments, elle est souvent utilisée pour les communications sol-air. Toutefois, comme elle réduit les interférences dues à d'autres signaux ayant des polarisations différentes, la polarisation horizontale est souvent utilisée pour les communications point à point.

Afin de garantir des performances optimales, la clarté du signal, la pénétration et l'efficacité du système, la polarisation de l'antenne est un facteur essentiel dans la conception du système.

Conclusion

Les antennes à double polarisation offrent des performances, une fiabilité et une efficacité accrues, ce qui en fait une avancée importante dans la technologie des communications. Comprendre les effets de la polarisation des antennes est essentiel pour que les professionnels de l'informatique puissent gérer avec succès la complexité des systèmes de communication modernes. Ces antennes servent de base à la 4G, à la 5G et au-delà en combinant des performances améliorées, une conception compacte et une large gamme d'applications. Les antennes à double polarisation joueront un rôle de plus en plus important pour faciliter les progrès de la connectivité dans les technologies sans fil, à mesure que les communications sans fil continueront à se développer.

Les antennes à double polarisation deviennent de plus en plus importantes à mesure que nous relevons les défis de la communication sans fil. Leur capacité à augmenter la capacité de communication sans nécessiter de ressources supplémentaires est une avancée majeure qui signifie une ère dans laquelle la transmission de données sera plus fiable, plus efficace et plus rapide qu'elle ne l'a jamais été.

Dans l'ensemble, cet article souligne le rôle essentiel que jouent les antennes MIMO à double polarisation dans le développement des systèmes modernes de communication sans fil en décrivant les concepts fondamentaux, les types, les avantages, les comparaisons avec les antennes à polarisation unique, les applications réelles et les considérations importantes en matière de conception.