État de l'art sur les technologies d'antennes pour les communications point-à-point en bande millimétrique

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L’évolution des réseaux 5G

La cinquième génération de technologie sans fil représente le visage changeant de la connectivité. Conçue pour une vitesse et une capacité accrue, la 5G a le potentiel d’étendre considérablement la façon dont les données seront traitées et transportées, et permettra un large éventail de nouveaux cas d’usage, qui vont bien au-delà du smartphone, déjà visé par les technologies 3G et 4G.
Trois grandes catégories d’usages définies par l’UIT (sous le terme IMT-2020), avec leurs exigences respectives, sont en train d’émerger et permettraient de répondre aux besoins à venir :
• mMTC – Massive Machine Type Communications : communications avec une grande quantité d’objets, permettant de répondre à l’augmentation exponentielle de la densité d’objets connectés avec des besoins de qualité de service variés ;
• eMBB – Enhanced Mobile Broadband : connexion en ultra haut débit en outdoor et en indoor, avec uniformité de la qualité de service, même en bordure de la couverture radio des cellules ;
• uRLLC – Ultra-reliable and Low Latency Communications : communication ultra-fiable pour les besoins critiques avec une très faible latence, pour une réactivité accrue.

Le premier domaine dédié aux objets connectés (mMTC) englobe tous les usages liés à l’Internet des objets. Ces services nécessitent une couverture étendue, une faible consommation énergétique et des débits relativement restreints. L’apport annoncé de la 5G par rapport aux technologies actuelles réside dans sa capacité à connecter des objets répartis de manière très dense sur le territoire.
Le domaine de l’ultra haut débit (eMBB) concerne toutes les applications et services qui nécessitent une connexion toujours plus rapide, pour permettre par exemple de visionner des vidéos en ultra haute définition (8K) ou de « streamer » sans-fil des applications de réalité virtuelle ou augmentée.
Enfin, les communications ultra-fiables à très faible latence (uRLLC) regroupent toutes les applications nécessitant une réactivité extrêmement importante ainsi qu’une garantie de transmission du message. Ces besoins se retrouveront principalement dans les transports (temps de réaction en cas de risque d’accident, par exemple), dans la médecine (permettant des pratiques radicalement nouvelles, telles que la télé-chirurgie) et dans l’industrie 4.0 (pilotage à distance des outils, assistance à la maintenance via la réalité augmentée, modification en temps réel de l’outil de production, meilleure maîtrise de la « Supply Chain »).
La 5G devra transmettre les données avec un débit accéléré, environ 10 fois supérieur à celui de la génération précédente, avec une latence réduite entre 1 et 10ms, soit 10 fois inférieure à celle de la 4G et avec une fiabilité de 99.999%, désignant le taux de succès de la transmission sans erreur d’un paquet de données dans une fenêtre de 1 ms. En outre, lors de l’usage des équipements, nous pouvons nous attendre également à un doublement de l’efficacité énergétique dès 2021, jusqu’à une amélioration d’un facteur 10, voire 20, en 2025. Cette efficacité énergétique accrue est très attendue par opérateurs télécoms [1].

Par ailleurs, et selon le dernier rapport d’Ericsson sur la mobilité, le trafic mondial de données mobiles dans le monde, qui a atteint environ 51 Exabytes1 (EB) par mois à fin 2020, devrait progresser d’un facteur d’environ 4,5 pour atteindre 226 EB par mois en 2026. Ericsson prévoit que 54% du trafic total de données mobiles seront acheminé par les réseaux 5G, voir Figure 3 [4].

Spécifications des bandes de fréquences pour les communications 5G point-à-point

Le spectre des services 5G couvre non seulement les bandes inférieures à 6 GHz, y compris les bandes actuellement utilisées pour les réseaux 4G, mais s’étend également à des bandes de fréquences dans le spectre des ondes millimétriques, qui n’était pas auparavant envisagé pour les communications mobiles. Les bandes de fréquences dans la gamme de 24 GHz à 300 GHz ont été ciblées comme ayant le potentiel de prendre en charge de grandes largeurs de bande et des débits de données élevés.

La bande E (71 – 76 GHz et 81 – 86 GHz) est bien établie en tant que solution attrayante et rentable à haute capacité pour les applications point-à-point, capable de prendre en charge des liaisons radio jusqu’à 20 Gbit/s sur de courtes distances de 2 à 3 km. Les besoins de disposer de débits de l’ordre de 100 Gbit/s (soit des besoins en bandes passantes entre 10 et 15 GHz, pour une efficacité spectrale des dispositifs 5G de l’ordre de 8 à 10 bit/Hz) se traduit alors par l’exploitation du spectre de fréquences vers les systèmes en bande W et en bande D, où de grandes quantités de bande passante supplémentaire deviennent alors disponibles [6].

La conception de solutions antennaires dans le cadre de la présente thèse s’est ainsi concentrée sur l’une des bandes de fréquences envisagées, la bande D. En effet, en 2018, le Comité européen des communications électroniques (ECC) de la CEPT a publié la recommandation 18(01) identifiant des sous-bandes, totalisant 31.8 GHz de bande passante, sur un bloc total d’environ 45 GHz (de 130 à 174.8 GHz). Ces bandes sont illustrées dans la Figure 7 [7].

Au-delà de la large bande passante offerte, les antennes en bande D de même taille engendrent un gain plus élevé par rapport à une antenne à une fréquence plus basse, contribuant à l’une des principales exigences de l’environnement des petites cellules, celle de la compacité de l’équipement.

Toutes ces caractéristiques font du système en bande D un bon candidat pour les liaisons sans fil à capacité ultra élevé pour le « Backhaul » de la nouvelle génération des petites cellules.

La portée des liaisons hertziennes en bande millimétrique

L’utilisation des faisceaux hertziens est essentiellement limitée par les phénomènes physiques incontournables, à savoir les atténuations causées par la propagation en espace libre, l’absorption atmosphérique et la pluie.

Atténuation atmosphérique

L’atténuation causée par les gaz atmosphériques est un autre facteur limitant pour les ondes millimétriques. Au fur et à mesure que le signal radio se propage dans l’air, l’atmosphère affecte les ondes radio sous forme de diffusion ou d’absorption des signaux. Les bandes E, W et D ne sont pas affectées par les pics d’absorption d’oxygène, cependant l’atténuation de la vapeur d’eau peut atteindre quelques décibels lorsque l’humidité de l’air est élevée.

La Figure 8 montre l’atténuation de l’oxygène et de la vapeur d’eau à différentes fréquences, de 10 à 300 GHz.

Selon la Recommandation UIT-R [8] , l’atténuation des gaz atmosphériques dans la bande D est inférieure à environ 2 dB/km en dessous de 164 GHz et ne dépasse 4 dB / km qu’au bord supérieur de la bande, à 174 GHz. Par conséquent, l’atmosphère n’est pas un facteur limitant dans la portée d’une liaison à cette bande. Cette caractéristique rend la bande D intéressante dans les liaisons pour des petites cellules, tout en permettant la réutilisation des fréquences.

Atténuation due à la pluie

La quantité de pluie impacte également l’atténuation du signal. La Figure 9 fournit l’atténuation du signal par kilomètre, avec différents taux de pluie pour les ondes millimétriques. Ces résultats montrent qu’une perte supplémentaire est ajoutée au bilan de liaison en raison de fortes pluies. Comme on peut l’observer, l’atténuation due à la pluie est relativement importante en bande D.

La perte de signal due à la pluie dépend du taux de précipitation pluviométrique, mesuré en millimètres par heure. La Figure 11 illustre les régions de l’Europe avec les taux de chute de pluie définies par l’ITU en Europe [10]. On constate que la précipitation maximale peut atteindre 60 mm/h, soit une atténuation d’environ 25 dB pendant 0,01% du temps par an.

Evanouissement de la liaison due au dépointage de l’antenne

Les performances des antennes pour les liaisons point-à-point à gain élevé peuvent être également affectées par les mouvements de leurs supports. Ces mouvements sont principalement dus au rayonnement solaire régulier, engendrant une déviation du mât causée par la différence de température entre le côté ensoleillé et le côté ombragé du mât (avec des cycles entre 5 et 12 heures), ou par la présence d’un vent fort (entre 200 ms et quelques minutes), voir Figure 11 [11].

Dans ces conditions, un systéme d’auto-alignement intégrant l’antenne peut s’avérer nécessaire, jusqu’à environ +/- 1° de dépointage, notamment pour celles possédant des ouvertures des lobes à mi-puissance de la même grandeur.

Bilans de liaison

Avant de concevoir un système de radiocommunication ou une liaison hertzienne, il est nécessaire d’effectuer le calcul du bilan de liaison, permettant de déterminer si le niveau de puissance reçu par le récepteur sera suffisant face au bruit et aux interférences pour que la liaison fonctionne correctement. Pour évaluer la portée de la liaison radio selon un débit et une disponibilité, il faut considérer l’atténuation maximale du signal radio dans des conditions de propagation données.

Le facteur dimensionnant d’un émetteur-récepteur est son gain, dépendant essentiellement de deux facteurs : gain isotrope des antennes d’émission et de réception et la différence entre la puissance d’émission et celle de la réception. Le bilan de liaison est satisfait lorsque le gain de système est égal ou supérieur à l’atténuation maximale de la liaison.

La puissance reçue à l’arrière de l’antenne Rx est définie par l’équation de FRIIS (Eq.1.1): λ02=(4πR)(Eq. 1.1)

Avec la puissance d’émission, 0 la longueur d’onde en espace libre, , respectivement les gains des antennes Tx et Rx, et la distance séparant les deux antennes.

Le niveau de puissance d’émission étant limité par les normes de communication et la puissance de réception conditionnée par la sensibilité du récepteur, la principale variable d’ajustement permettant d’assurer une liaison sans fil sera le gain isotrope des antennes.

Nous considérons un scénario d’une liaison « Backhaul » de 500 m de portée entre deux antennes de 30 dBi de gain isotrope chacune une bande passante de 500 MHz avec une puissance d’émission de 5 dBm, et une sensibilité de réception de -83 dBm. L’estimation a été réalisée sur 3 fréquences différentes (23, 80 et 150 GHz). Les éléments du système impliqués dans ces bilans sont illustrés dans la Figure 12.

État de l’art sur les technologies d’antennes pour les communications point-à-point en bande millimétrique

Ce chapitre présente une revue de la littérature sur les différentes technologies antennaires utilisées en bande millimétrique, intégrant les aspects de directivité, large bande, double polarisation, voire double-bande, et de possibilité d’auto-alignement.
Une comparaison est alors dressée entre les différentes technologies d’antennes, à la lumière des exigences des antennes point-à-point « Backhaul », afin de faciliter le choix de la technologie la plus adaptée, selon trois fonctionnalités : mono-bande, double-bande et compatibilité avec un dispositif d’auto-alignement.
Un exemple de solution d’antenne directive classique fonctionnant en bande D – l’antenne parabolique – est présentée, illustrant le savoir-faire de RFS, avec les résultats des mesures réalisées sur le premier prototype fonctionnant dans cette bande.
Enfin, une matrice de choix est établie en fonction des différents critères, permettant de converger vers la solution d’antenne réseau transmetteur. Une étude approfondie de la littérature est alors menée sur les cellules unitaires utilisées dans les réseaux transmetteurs, et le choix de la structure retenue est détaillé et justifié.

Les principales structures d’antennes

Dans le chapitre précédent, le contexte de la présente thèse a été établi, suivi des principales caractéristiques de l’antenne à utiliser dans les « Backhaul » 5G en bande millimétrique. Dans les sections suivantes, nous évaluons les différentes structures, divisées en deux principales familles technologiques :
1- les antennes à alimentation directe, à savoir les réseaux d’éléments rayonnants imprimées, ceux-ci alimentés par des lignes micro-ruban, les réseaux de fentes basés sur des guide d’ondes, les réseaux de cornets et les réseaux de CTS (Continuous Transverse Stub).
2- les antennes focalisantes ou quasi-optiques, notamment les lentilles, les réseaux transmetteurs, les réseaux réflecteur et les paraboles.

Les antennes à alimentation directe

Le concept d’antenne à alimentation directe est lié au fait qu’il n’y a pas de chemin optique intermédiaire entre le ou les éléments rayonnants et le réseau d’alimentation. Les réseaux d’antennes de ce type sont alors caractérisés par un ensemble d’éléments rayonnants, généralement semblables entre eux et à faible gain, alimentés de manière à ce que leur mise en réseau se traduise par une contribution cohérente des différents éléments, contrôlés en amplitude et en phase, dans le but d’obtenir une grande directivité ou de répondre à des gabarits de rayonnement, ou « RPE » (« Radiation Pattern Enveloppe »), spécifiques. Ce type d’antennes est souvent alimenté en utilisant des diviseurs de puissance pour avoir une large bande passante.

Il existe deux familles dont nous allons décrire leur fonctionnement:
– Les réseaux phasés alimentés par lignes micro-rubans
– Les réseaux de fentes alimentées par guide, ceux-ci pouvant être constitués de cornets, fentes, et d’autres structures de guides d’ondes rayonnantes.

Les réseaux phasés alimentés par lignes microruban

Une antenne imprimée élémentaire isolée possède un faible gain et une conséquente large ouverture à mi-puissance. En associant plusieurs éléments en réseau sur un substrat, on obtient un gain plus ou moins élevé.
Un réseau linéaire d’antennes, généralement caractérisé par des lois d’amplitude et phase, fait appel à des pastilles, ou « patchs », mais aussi d’autres motifs imprimés, produisant le comportement de dipôles rayonnants. Ces éléments peuvent être excités par des lignes microrubans, par des sondes coaxiales ou encore par des lignes à fentes.
Les réseaux d’antennes patchs sont largement utilisés en raison de leur faible encombrement, de leur faible poids, d’un coût peu élevé, et de leur fabrication aisée. Cependant, ils présentent certains inconvénients, notamment la faible bande passante et les pertes diélectriques et métalliques en particulier haute fréquence, une relative faible tolérance aux erreurs de fabrication et une influence accrue des ondes de surface. Une solution pour limiter les pertes diélectriques et l’influence des ondes de surfaces consiste à choisir un substrat avec une faible tangente de perte et une épaisseur très fine, mais cela conduit à réduire d’avantage la bande passante.

La difficulté de réalisation ne réside pas uniquement dans les éléments rayonnants, mais aussi dans le réseau d’alimentation. Les lignes d’accès aux antennes peuvent devenir très fines, ce qui augmente leurs pertes et peut générer un rayonnement parasite, avec une dégradation du diagramme de rayonnement du réseau, de son gain, et une augmentation du niveau des lobes secondaires [15].
La Figure 13 présentent la variation du gain isotrope d’un réseau de N éléments à 150 GHz, en tenant compte des pertes de transmission des lignes microruban (en dB/λ), et la compare à la directivité idéale d’un réseau (sans pertes). Nous pouvons observer que le gain du réseau microruban décroît au-delà d’un certain nombre d’éléments, en raison de la perte diélectrique accrue. On constate également une réduction de l’efficacité lorsque la fréquence augmente, ce qui constitue l’inconvénient majeur des réseaux d’antennes patchs imprimés alimentés par des lignes.
La Figure 14 présente la disposition d’un réseau de patchs microruban de 16 x 16 = 256 éléments alimenté par le réseau d’alimentation en arborescence à 35 GHz avec un gain maximal mesuré de 28.5 dBi [16]. Ce type de réseau d’alimentation offre une meilleure bande passante par rapport à ceux alimentées en série.

Dans la référence [17], l’auteur compare, pour une antenne microruban de 256 éléments conçue pour la bande Ka, le gain calculé et le gain réel en tenant compte des pertes des lignes microruban, des pertes de rayonnement et des pertes de désadaptation, conduisant à un total de 5,5 dB de pertes et une efficacité de 28%. La référence [18] présente également une perte mesurée de 0,9 dB/cm pour une ligne d’alimentation microruban à 73 GHz (Figure 15), ce qui se traduit par une perte de près de 5,4 dB pour une ligne microruban de 60 mm de long (trajet total du signal de l’alimentation jusqu’aux éléments rayonnants).
En substance, les réseaux d’antennes imprimées ont pour vocation des gains et des bandes passantes relativement modestes, la montée en gain étant sanctionnée essentiellement par les pertes diélectriques.

Les réseaux phasés alimentés par guides d’ondes

Les antennes réseaux en guides d’ondes sont basées sur le même principe que les antennes précédentes mais où les patchs sont remplacés par des fentes alimentées par des guides d’ondes. En général, les réseaux basés sur des guides d’ondes offrent de très bonnes performances d’efficacité, dû au fait des faibles pertes subies par le réseau d’alimentation en guide d’ondes.
Les principaux types de réseaux basés sur des guides d’ondes sont :
• les réseaux constitués de cornets,
• les réseaux constitués de fentes,
• les réseaux de guides d’ondes intégrés au substrat (SIW),
• les réseaux CTS (Continuous Transverse Stub).
Leur analyse détaillée est décrite dans les sections suivantes.

Les réseaux constitués de cornets

Parmi les structures permettant d’obtenir un diagramme de rayonnement très directifs des large bandes passantes, nous trouvons les réseaux constitués de cornets, et notamment dans les communications point-à-point en bande millimétriques.
Un réseau de 8 x 8 cornets, fonctionnant à 150 GHz et constitué de cornets échelonnés étudié dans la référence [19], offre un gain de 32 dBi (ouverture physique rayonnante de 30 mm × 30 mm), correspondant à une efficacité d’ouverture de 28% et une bande passante de 29.5 %, voir Figure 16 (a).
La Figure 16 (b) présente les vues 3D et 2D de la cellule unitaire à cornet échelonné. Chaque cornet est constitué de 20 marches d’une épaisseur de 0,34 mm et de 3 marches d’une épaisseur de 0,2 mm, rendant sa réalisation difficile et coûteuse. Le réseau principal d’alimentation en arborescence est composé de nombreux diviseurs de puissance à quatre voies en forme de H, interconnectés à un guide d’ondes WR6 (1,25 × 0,4 mm2).
Un autre exemple d’un réseau de cornets à 140 GHz est proposé dans la référence [20]. Afin d’avoir un gain plus élevé, cette antenne contient 16 × 16 éléments rayonnants, distribués sur un panneau de 68.5 ×82.2 × 10.1 mm3, voir Figure 17. La bande passante de cette antenne est de 25.3%, avec un gain maximal de 40.7 dBi.

Malgré les hautes directivités et les bonnes performances obtenues par ce type de technologie d’antenne, des lobes de réseaux apparaissent rapidement dans le domaine observable, dans les plans E et H, comme nous montre la Figure 18 [19], [20]. Ces lobes pourront rendre difficile la conformité de ces antennes aux spécifications de RPE à définir par l’ETSI.
Un réseau phasés de 4×4 cornets à diagramme de rayonnement orientable en bande E (71-76 et 81-86 GHz) avec un gain maximal de 15.2 dBi est proposé présenté dans [21], voir Figure 19.

Ce nouveau concept combine une intégration mécaniquement plus simple des déphaseurs sur PCB et un réseau d’alimentation de guide d’ondes à faibles pertes. Le PCB est utilisé pour mettre en œuvre les déphaseurs de ligne à retard microruban, ainsi que des transitions en guides d’ondes-PCB. La fabrication de cette combinaison en bande millimétrique reste laborieuse, notamment au-delà de 100 GHz.

Les réseaux à fentes

Comme les réseaux de cornets, les réseaux de fentes issus de guides d’ondes bénéficient d’une efficacité élevée et de faibles pertes, grâce à l’absence de substrat diélectrique. Mais en raison de la nature résonante des fentes, ces antennes souffrent d’une bande passante et d’un gain limité.
Généralement, ces réseaux à fentes possèdent deux types d’alimentation : alimentation d’extrémité (alimentation série) ou alimentation centrale (alimentation parallèle). La Figure 20 présente un exemple d’un réseau à fentes monocouche fonctionnant à 25,5 GHz, alimenté en série (a) et en parallèle (b) [22].

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Table des matières

Glossaire
Chapitre 1 : Introduction : le cadre et le contexte de la thèse
1.1. Cadre de la thèse
1.2. L’évolution des réseaux 5G
1.3. Spécifications des bandes de fréquences pour les communications 5G point-à-point
1.4. La portée des liaisons hertziennes en bande millimétrique
1.4.1. Atténuation atmosphérique
1.4.2. Atténuation due à la pluie
1.4.3. Evanouissement de la liaison due au dépointage de l’antenne
1.4.4. Bilans de liaison
1.5. Exigence des antennes « Backhaul »
1.6. Conclusions et présentation des chapitres suivants
Chapitre 2 : État de l’art sur les technologies d’antennes pour les communications point-à-point en bande millimétrique
2.1. Les principales structures d’antennes
2.2. Les antennes à alimentation directe
2.2.1. Les réseaux phasés alimentés par lignes microruban
2.2.2. Les réseaux phasés alimentés par guides d’ondes
2.2.3. Les réseaux Stub transversal continu, ou « CTS »
2.3. Les antennes focalisantes ou quasi-optiques
2.3.1. Les antennes lentilles
2.3.2. Réseaux transmetteurs « Transmitarrays »
2.3.3. Les antennes paraboliques
2.3.4. Réseaux réflecteurs « Reflectarray »
2.4. Choix de la technologie d’antenne
2.5. La cellule unitaire d’un réseau transmetteur
2.5.1. Les cellules à multicouches sélectives en fréquence (MFSS)
2.5.2. Les cellules réceptrices/émettrices (Rx-Tx)
2.5.3. Choix de la cellule unitaire
2.7. Conclusion
Chapitre 3 : Conception et optimisation du « Transmistarray » en bande D
3.1. Introduction
3.2. Principe de fonctionnement du « Transmitarray »
3.2.1. Analyse du réseau transmetteur
3.3. Cellule unitaire à double polarisation linéaire
3.3.1. Architecture
3.3.2. Réponse en fréquence
3.4. Conception du « Transmitarray »
3.4.1. Choix des dimensions de l’antenne
3.4.2. Choix de la cellule centrale
3.4.3. Source focale
3.4.4. Simulation du Transmitarray
3.5. Conclusion
Chapitre 4 : Réalisation et mesures de « Transmistarrays » en bande D
4.1. Introduction
4.2. Réalisation, contrôle et mesures du TA 1600
4.2.1. Contrôle dimensionnel du prototype TA 1600
4.2.2. Dispositif de mesure en chambre anéchoïde
4.2.3. Source focale : le cornet étagé
4.2.4. Antenne complète TA 1600 (40×40 UC’s)
4.3. Réalisation, contrôle et mesures du TA 6400 (80 x 80 UC’s)
4.4. Discussion des résultats et automatisation du code de conception des TA’s
4.5. Conclusion
Chapitre 5 : « Transmitarray » à double bande et à double polarisation linéaire en bandes E et D
5.1. Introduction
5.2. Le choix de l’antenne double bande
5.3. Etat de l’art sur les solutions TA’s double bande
5.4. Contraintes
5.5. Cellule unitaire à double polarisation linéaire en bande E
5.6. Cellules unitaires modifiées en bande D
5.7. Choix des dimensions de l’antenne
5.8. Source focale
5.8.1. Cornet en bande D
5.8.2. Cornet en bande E
5.9. Conception de la lentille en bande D
5.10. Conception de la lentille en bande E
5.11. Solution du TA double bande
5.11.1. Solution de remplacement
5.11.2. Solution hybride
5.12. Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Annexe : Procédure d’automatisation de conception avec Visual Basic (VB) script
Bibliographie