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. Dans ce chapitre, nous allons faire une description générale des antennes avant d’étudier quelques types d’antennes utilisées par les terminaux mobiles 4G et 5G. Ensuite les techniques d’amélioration de performances des antennes multiples ainsi que la reconfigurabilité des antennes seront présentées. Enfin, nous présenterons un système d’antennes MIMO 4×4 au quel, la reconfiguration de diagramme sera appliquée dans le troisième chapitre.

Généralités sur les antennes miniatures

Dans un système de communication sans fil, les antennes d’émission-réception (TX-RX)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. La figure I.1 montre la représentation d’un émetteur. 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 [2] [3].  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.

Circuit équivalent d’une antenne

Une antenne rayonne efficacement sur une bande de fréquence qui correspond à safréquence 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 fréquence, l’antenne est modélisée par un circuit électrique RLC. En effet, l’antenne 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). La figure I.2 [3] est une illustration du modèle électrique de l’antenne.

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 .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. La figure I.3 [3] illustre l’exemple d’une antenne filaire placée dans un repère sphérique (𝑟, 𝜃, 𝜑). On peut alors exprimer la puissance rayonnée dans une direction donnée 𝑃(𝜃, 𝜑), la puissance rayonnée à une surface élémentaire située à une distance R donnée 𝑃(𝑅, 𝜃, 𝜑) et la puissance totale 𝑃 La puissance rayonnée dépend du type d’antenne. Pour le cas particulier d’une antenne isotrope (antenne qui rayonne uniformément dans toutes les directions de l’espace) appelée antenne omnidirectionnelle, les puissances sont exprimées par les équations Eq.I.8 et Eq.I.9. Bien que ce type d’antenne ne soit pas physiquement réalisable, elle est utilisée comme référence pour déterminer les performances des antennes.