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Antennes utilisées par les terminaux mobiles 4G et 5G
Une antenne est définie comme étant « la partie d’un système d’émission ou de réception conçue pour rayonner ou recevoir des ondes électromagnétiques » par l’IEEE Std 145-2013 [1]. En d’autres termes, Les antennes assurent la liaison entre l’émetteur et le récepteur via une onde électromagnétique à travers un canal de transmission. Les systèmes de communications 4G et 5G utilisent les antennes multiples à l’émission et à la réception. La technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) permet d’améliorer le débit de la transmission des données. La reconfiguration d’antennes consiste à modifier une ou plusieurs caractéristiques d’antennes.
Généralités sur les antennes miniatures
Dans un système de communication sans fil, les antennes d’émission-réception (TX-RX) jouent un rôle fondamental pour la transmission de l’information de la source vers la destination.
Principe de fonctionnement des antennes
L’antenne émettrice a pour rôle de transformer une puissance électrique PS en une puissance rayonnée, (ou l’inverse dans le cas de la réception). Elle est susceptible de véhiculer une information transportée par une onde électromagnétique se propageant dans l’espace. Dans cette section, nous ferons un focus sur les antennes utilisées en émission tout en introduisant le principe de la réciprocité qui existe entre les antennes émettrices et les antennes réceptrices. Les propriétés des antennes restent les mêmes qu’elles soient utilisées en émission ou en réception. L’antenne utilisée en réception présente la même structure où l’alimentation est remplacée par un récepteur et en inversant les flèches qui indique le transport de puissance .
✧ PS correspond à la puissance électrique délivrée par la source. Le signal à transmettre peut provenir d’une ou de plusieurs sources d’amplitudes et de phases indépendantes.
✧ Des amplificateurs et des filtres peuvent être placés entre la source et l’antenne pour fournir une puissance électrique suffisante aux éléments rayonnants afin d’assurer une émission (ou réception).
✧ La source (ou le récepteur) est reliée à l’antenne par une ligne de transmission (câble coaxial, guides d’ondes…). Cette ligne permet de transporter une puissance électrique PA aux éléments rayonnants. La puissance PA est différente de la puissance PS fournie par la source en raison des pertes liées à la ligne d’alimentation reliant la source et l’antenne.
✧ Le réseau de polarisation permet de connecter les signaux à transmettre aux éléments rayonnants, de les déphaser et/ou les combiner entre eux.
✧ Les éléments rayonnants assurent la transmission de l’énergie fournie dans l’espace libre où l’onde va se propager. Réciproquement, ils assurent la transmission de l’énergie d’une onde électromagnétique vers le récepteur.
Circuit équivalent d’une antenne
Une antenne rayonne efficacement sur une bande de fréquence qui correspond à sa fréquence de résonnance. Lorsqu’une antenne est excitée, des charges se déplacent le long de l’antenne donnant naissance à un rayonnement. La résonnance correspond à la situation où les charges sont en oscillation permanente. Ainsi, pour la représentation de ce comportement résonnant qui varie en fonction de la stocke des charges (sous forme d’énergie électrique) appelées effet capacitif. Mais également elle s’oppose à la variation du courant qui y circule (stockage d’énergie sous forme d’énergie magnétique) qu’on appelle effet inductif. On note également une dissipation d’une partie de l’énergie (pertes ohmique).
L’inductance et la capacité sont liées à la longueur de l’antenne. En basse fréquence, l’antenne a une inductance négligeable, dans ce cas elle se contente de stocker des charges. Cependant l’augmentation de la fréquence entraine la diminution de l’effet capacitif alors que l’effet inductif accroit. A une fréquence particulière appelée la fréquence de résonnance où l’effet inductif et l’effet capacitif sont égaux en magnitude et leurs effets s’annulent. L’antenne est alors équivalente à une résistance pure. En plus si les pertes ohmiques sont négligeables, la capacité à rayonner est liée à la résistance de rayonnement [2].
Paramètres d’antennes
Une antenne sert à convertir une puissance électrique en une puissance rayonnée, c’est-àdire transportée par une onde électromagnétique, qui peut se propager dans toutes les directions de l’espace. Les directions dans lesquelles cette puissance se propage, vont dépendre des caractéristiques de l’antenne. Dans cette section nous présenterons les caractéristiques des antennes [2]. En effet les caractéristiques de rayonnement sont utilisées pour déterminer la manière dont l’énergie est rayonnée (ou reçue) par l’antenne. Les directions dans lesquelles l’énergie se propage dépendent des caractéristiques de l’antenne.
Types d’antennes utilisées par les terminaux mobiles 4G et 5G
Divers types d’antennes sont utilisées dans les communications sans fil. Cette section est consacrée à la présentation des types d’antennes utiliseés par les équipements mobiles compatibles aux systèmes 4G et 5G notamment, les antennes PIFAs (Planar Inverted-F Antenna) et les antennes imprimées (patch) en technologie micro-ruban.
Antennes PIFAs
Les antennes PIFAs (Planar Inverted-F Antenna) font partie des types d’antennes les plus utilisées dans les téléphones mobiles. Une PIFA est basée sur le même principe qu’une IFA (Inverted-F Antenna), qui comporte une ligne d’alimentation et un court-circuit. L’ajout du court-circuit permet d’ajuster l’impédance de l’antenne, en dimensionnant correctement la distance entre le court-circuit et le point d’alimentation. En remplaçant la piste d’une IFA par un patch de dimensions L×W, nous obtenons une PIFA. Dans la plupart des cas, le patch est au-dessus du plan de masse. La dimension la plus cruciale dans une PIFA est ainsi la distance entre le plan de masse et le patch nommée H [6].
Antennes patch
Les antennes imprimées (patch en anglais) sont apparues dans les années 50. Cependant, leur véritable développement ne s’est fait que vers les années 70. Les antennes patch également appelées des antennes micro ruban sont des éléments rayonnants planaire. La forme la plus simple d’une antenne patch est constituée d’un substrat d’épaisseur relativement faible, d’un plan métallique déposé sur l’une des faces du substrat appelé plan de masse. Sur l’autre face du substrat, l’élément de forme variable (rectangle, triangle…) et de dimensions ajustées est imprimé en micro ruban. Les caractéristiques du substrat déterminent entre autres la fréquence de résonnance. Le plan de masse est suffisamment grand par rapport à l’élément rayonnant pour limiter les effets d’onde de surface rayonnée sur l’extrémité du plan de masse.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Antennes utilisées par les terminaux mobiles 4G et 5G
Introduction
I.1. Généralités sur les antennes miniatures
I.1.1. Principe de fonctionnement des antennes
I.1.2. Circuit équivalent d’une antenne
I.1.3. Paramètres d’antennes
I.2. Types d’antennes utilisées par les terminaux mobiles 4G et 5G
I.2.1. Antennes PIFAs
I.2.2. Antennes patch
I.2.3. Bandes de fréquences des systèmes LTE
I.3. Système multi-antennes
I.3.1. Diversité
I.3.2. Systèmes MIMO
I.4. Antennes reconfigurables
I.4.1. Types de reconfigurations
I.4.2. Techniques de Reconfigurations
I.5. Présentation d’un système MIMO 4×4 (système 1)
I.5.1. Design du système 1
I.5.2. Résultats de la simulation du système 1
Conclusion
Chapitre II : Coupleurs hybrides (-3 dB, 90°)
Introduction
II.1. Théorie sur les coupleurs hybrides
II.1.1. Réseaux à quatre ports
II.1.2. Matrice de répartition d’un réseau à 4 ports
II.1.3. Caractéristiques des coupleurs
II.2. Types de coupleurs directionnels
II.2.1. Coupleur hybride en quadrature
II.2.2. Coupleur en anneau
II.2.3. Coupleur de Lange
II.3. Etats de l’art des coupleurs hybrides (-3 dB, 90°)
II.3.1 Coupleurs hybride mono-bande
II.3.2. Coupleur hybride double bande
II.3.3. Applications des coupleurs
II.4. Conception d’un coupleur hybride (-3 dB, 90°) sous ADS
II.4.1. Prototype du coupleur
II.4.2. Résultats de la simulation du coupleur sous ADS
Conclusion
Chapitre III : Utilisation des coupleurs hybrides pour la reconfiguration en diagramme de rayonnement
Introduction
III.1. Prototype de coupleur hybride Bi-bande (-3 dB, 90°)
III.1.1. Design des coupleurs sous HFSS
III.1.2. Résultats de la simulation
III.2. Intégration des coupleurs hybrides dans le système 1 (système 2)
III.2.1. Conception du système 2
III.3. Reconfiguration en diagramme de rayonnement du système 2
III.3.1. Résultats de la simulation du système 2
III.2.3. Comparaison des performances des deux systèmes (système 1 et système 2)
Conclusion
Conclusion générale
Références
