Antennes miniatures multi-bandes adaptatives pour les futurs réseaux 5G

Les antennes et systèmes d’antennes reconfigurables

 Les antennes intelligentes peuvent, sur application d’une commande (électrique, magnétique ou mécanique), modifier dynamiquement une de leurs caractéristiques fondamentales que sont la fréquence, la polarisation ou le diagramme de rayonnement. La notion d’intelligence renvoie donc à la capacité de l’antenne à s’adapter à son environnement. On parle communément d’antenne adaptative ou reconfigurable. La reconfiguration de l’antenne est réalisée en modifiant la distribution du courant électrique, en conséquence les propriétés du champ électromagnétique et de l’impédance, donc les propriétés d’émission et de réception, et ceci de façon discrète ou continue [51]. Cependant rendre une antenne intelligente est assez complexe du fait qu’il fait intervenir principalement les domaines de l’électromagnétisme, du traitement du signal et de la conception d’antennes. Ainsi, la nécessité d’une combinaison efficiente de ces trois domaines implique le développement de techniques pointues pour chacune des domaines afin de répondre aux exigences et contraintes liées à l’apparition des nouveaux réseaux de communication sans fil. Bien que les systèmes d’antennes intelligentes puissent sembler être une nouvelle technologie, la théorie fondamentale des antennes intelligentes n’est pas nouvelle. En fait, ils sont appliqués dans les systèmes liés à la défense depuis la première guerre mondiale [52]. Il existe plusieurs façons de classer les antennes reconfigurables. Les techniques utilisées pour réaliser la reconfiguration d’antenne seront présentées dans le chapitre 2. Dans cette partie, nous allons présenter une méthode de classement très utilisé à savoir le classement selon l’agilité relative à une des caractéristiques fondamentales de l’antenne. On distingue les antennes reconfigurables : ➢ En fréquence ➢ En polarisation ➢ En diagramme de rayonnement ➢ Par combinaison.

Reconfiguration en Fréquence 

Une antenne agile en fréquence peut couvrir plusieurs bandes sans modification de sa configuration physique. La reconfiguration en fréquence consiste à la modification de la fréquence de travail par application d’une commande extérieure (électrique, magnétique, mécanique). Il existe deux types d’agilités fréquentielles : antenne à variations de fréquences discrètes et antennes à variations de fréquences continues. La reconfiguration en fréquence recouvre différentes fonctionnalités : la commutation de fréquence, l’accordabilité en fréquence, le changement de bande passante ou encore des fonctionnalités de filtrage, par exemple la réjection de fréquence. La figure 1.15 montre une antenne reconfigurable en fréquence et pouvant couvrir les applications mobiles GSM 900, DCS 1800, Bluetooth 2.4 GHz, Wi-MAX 2.3 – 2.4 GHz et le Wi-Fi 2.4 – 2.45 GHz. La reconfigurabilité se fait ici en utilisant des diodes PIN switchables [53]. Figure 1.15: Antenne reconfigurable en fréquence Chapitre 1 : Antennes reconfigurables pour applications mobiles Antennes miniatures multi-bandes adaptatives pour les futurs réseaux 5G 47 Figure 1.16 : Coefficient de réflexion de l’antenne La figure 1.17 montre une antenne compacte reconfigurable en fréquence sur un ordinateur portable et destinée aux services LTE multi bandes. Chaque antenne MIMO est constituée de deux antennes planaires F inversés appelées PIFA [54]. (a) (b)

 Reconfiguration en Polarisation

 L’agilité en polarisation renvoie à la capacité d’une antenne à prendre en charge plusieurs types de polarisation (linéaire, circulaire) tout en gardant la même fréquence et le même diagramme de rayonnement. Elle s’obtient généralement en modifiant le sens et ou la phase de circulation des courants sur l’élément rayonnant d’une antenne. Chapitre 1 : Antennes reconfigurables pour applications mobiles Antennes miniatures multi-bandes adaptatives pour les futurs réseaux 5G 48 Les antennes à polarisation circulaire sont largement utilisées dans les systèmes de communication par satellite et sans fil pour réduire les effets de trajets multiples et la nécessité d’un alignement de polarisation précis entre les antennes d’émission et de réception [55]. Une antenne patch en E, reconfigurable en polarisation offrant des performances large bande est proposée dans [56]. L’antenne est capable de commuter sa polarisation d’une polarisation circulaire droite (RHCP) à une polarisation circulaire gauche (LHCP) et inversement. L’antenne opère dans la bande de fréquences de la norme IEEE 802.11 b / g (2,4 à 2,5 GHz). Figure 1.18 : Photo de l’antenne en E reconfigurable en polarisation Figure 1.19 : Diagramme de rayonnement de l’antenne en E 

 Reconfiguration en Digramme de rayonnement

 L’objet de notre travail porte sur la reconfiguration en diagramme de rayonnement. Ce type de reconfiguration correspond à un changement de forme, de direction et de gain d’une antenne. La reconfiguration du diagramme de rayonnement concerne le balayage angulaire, les changements de directivité/ouverture de faisceau, les fonctionnalités de filtrage spatial, et de manière la plus générale, la synthèse d’un faisceau selon des caractéristiques souhaitées. Le cas le plus simple d’un système d’antennes à diversité de diagramme est celui d’un système d’antennes bi-statiques qui présente deux diagrammes de rayonnement fortement décorrélés [57]. (a) (b) (c) Figure 1.20 : Principe de la diversité de diagramme (a), réalisation à l’aide de deux dipôles de part et d’autre d’un plan réflecteur (b), diagramme de rayonnement en commutation (c) Une étude détaillée d’un système d’antennes reconfigurable en diagramme de rayonnement est présentée dans les chapitres 3 et 4. Les systèmes d’antennes reconfigurables en diagramme peuvent être classés en deux types : les systèmes à commutation de faisceaux et les systèmes réseaux adaptatifs. Un système à commutation de faisceaux est un système qui peut choisir parmi l’un des nombreux modèles prédéfinis pour améliorer le signal reçu. L’objectif général du système à commutation de faisceaux est d’accroître le gain en fonction de la position de l’utilisateur. En réalité, il s’agit d’une extension de la segmentation des cellules. Chaque secteur est donc subdivisé en secteurs plus petits. Au fur et à mesure que l’unité mobile se déplace dans la cellule, le système à faisceaux commutés détecte la force du signal, choisit le diagramme de faisceaux Chapitre 1 : Antennes reconfigurables pour applications mobiles Antennes miniatures multi-bandes adaptatives pour les futurs réseaux 5G 50 prédéfini approprié et commute les faisceaux en continu, si nécessaire. Cependant, les faisceaux étant fixes, l’utilisateur prévu peut ne pas se trouver au centre du faisceau principal. Un système à réseau adaptatif est un système qui est capable de localiser et suivre les signaux (utilisateurs et interféreurs) et ajuster dynamiquement le diagramme d’antenne afin d’améliorer la réception tout en minimisant les interférences, à l’aide d’algorithmes de traitement du signal. En d’autres termes, ils peuvent diriger le faisceau principal vers le signal pilote ou le signal d’intérêt (SOI) tout en supprimant le diagramme d’antenne en direction des brouilleurs ou des signaux non d’intérêt (SNOI). De manière plus simple, les systèmes à réseaux adaptatifs peuvent personnaliser un diagramme de rayonnement approprié pour chaque utilisateur. Ainsi les systèmes à réseau adaptatif offrent de loin des performances supérieures comparés aux systèmes à commutation de faisceaux [58]. Les systèmes de communication sans fil peuvent être vulnérables aux phénomènes physiques confrontés par les ondes radio lors de leur propagation dans l’espace. Dans l’environnement réel des systèmes de communication sans fil, les ondes radio issue d’un émetteur se propagent par différents chemins. C’est le phénomène multi-trajet. Cependant le milieu réel est naturellement constitué d’obstacles (Immeubles, arbres, etc.) pour les ondes. Ces dernières subissent alors dans le canal de propagation des phénomènes tels que les interférences mais surtout les atténuations d’amplitude. Figure 1.21 : Exemple de propagation multi-trajets .Cependant ces faiblesses peuvent être exploitées pour accroitre les performances de ces systèmes. En effet, Dans ce type d’environnement, la puissance du signal reçue peut être améliorée à chaque fois qu’il est possible de recevoir ce signal par au moins deux chemins indépendants. En diversifiant les canaux de réception, on améliore l’amplitude du signal reçu. Puisque les multi-trajets représentent plusieurs canaux entre l’émetteur et le récepteur, alors l’objectif des communications sans fil est de profiter des multi-trajets pour dépasser la capacité pour une largeur de bande limitée. On parle alors de gain de diversité [59], [60]. Le principe de base de la diversité est que le récepteur doit disposer de plusieurs versions du signal transmis, reçues sur des canaux indépendants [35]. On distingue plusieurs types de diversité telles que la diversité spatiale, la diversité de polarisation et la diversité temporelle. L’introduction de la technologie MIMO dans la version 8 du LTE (Long Term Evolution) a permis un développement sans précèdent dans les systèmes cellulaires sans fil. L’adoption de la technologie MIMO a joué un rôle essentiel dans la 4G actuelle et continuera de le faire dans les futurs systèmes cellulaires 5G [61], [62]. La motivation principale de l’adoption de MIMO comme une des technologies principales des réseaux 4G et futurs était dû aux contraintes de capacités dont souffraient les réseaux précédents. En effet, les premiers systèmes de communication sans fil utilisaient une antenne à l’émission et une antenne à la réception d’où le nom de système SISO (Single Input Single Output). Ces systèmes sont généralement limités en performance telle que la capacité aussi appelé capacité de Shannon.