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Florence PodevinFilière Télécom 1

Sans-fil Haut-Débit

Partie I : Le monde de l’intégré : suitePartie II : La propagation hertziennePartie III : Les enjeux de la montée en

fréquence


Chaîne de transmission : Canal hertzien

Codage binaire

Codage canal

Modula tion CNA

Synthèse de fréquence

Filtre AmpliDonnées num.

Décod binaire

Décod canal

Démo dulationCAN

Synthèse de fréquence

FiltreAmpli Données num.


Partie II : La propagation hertzienneSommaire

1. Caractéristiques générales des antennes

1.1 5 thématiques importantes

1.2 Bilan de liaison

2. Historique : rayonnement du dipôle élémentaire

2.1 Expérience de Hertz

2.2 Un minimum de physique…

3. Différents types d’antennes

3.1 Antenne filaire (a), patch (b), plans réflecteurs (c), ouverture rayonnante (d)

3.2 Quelle antenne pour quelle application

3.3 Submillimeter wireless

4. Groupement d’antennes

4.1 Les réseaux

4.2 Les déphaseurs

Antenne radio à Taussac-la-Billière (canton de Saint-Gervais-sur-Mare)


1. Caractéristiques générales des antennes

Définition de l’antenne

Voie hertzienne =seule possibilité lorsque l'on veut transmettre des

informations entre des émetteurs et des récepteurs mobiles

Incontournable

Antenne =• dispositif destiné à rayonner dans l'espace des ondes radioélectriques et à en recueillir,• transition entre émetteur (ou récepteur) et espace libre.• interface entre milieu correspondant à la propagation guidée et milieu correspondant à la propagation en espace libre.


Répartition des bandes de fréquences


Répartition simplifiée des bandes de fréquences

30kHz 300kHz 3MHz 30MHz 300MHz

ondes kilométriques ondes hectométriques ondes décamétriques ondes métriques

Liaisons sous marines Liaisons marines ou radio intercontinentales

Radiodiffusion FM, radionavigation,

télévision, domotique

300MHz 3GHz 30GHz 300GHz

ondes décimétriques ondes centimétriques ondes millimétriques

Télévision, radars civils, liaisons mobiles, Wi Fi

Bluetooth

Télévision par satellite, liaisons spatiales

Wireless HDMI, radioastronomie

Gap du THZ. Au-delàc’est quasi de l’optique


Coordonnées sphériquesAngle solide

Antenne

z

y

x

P

r

Coordonnées sphériques : r,

Angle solide : = S/R²


1.1 Caractéristiques d’une antenne

Caractéristique 2 : Gamme de fréquence de fonctionnement de l’antenne

Caractéristique 4 : Diagramme de rayonnement

Caractéristique 1 : Sensibilité au bruit

Caractéristique 3 : Impédance d’entrée et schéma équivalent

Caractéristique 5 : Gain


Caractéristique 1 : sensibilitéau bruit

Sensibilité d'un système de télécommunications limitée par le bruit qui provient principalement : - du bruit propre du récepteur- des bruits parasites naturels ou provoqués- du bruit galactique

Température de bruit équivalente Tb définie par

Wb : puissance de bruit,kB : constante de Boltzmann = 1,38 10-23 J/KF = bande passante de l'antenne.

Wb kBTbF

Wb kBTbF


Caractéristique 2 : fréquence de fonctionnement de l’antenne

Une antenne est dite : - apériodique (émet dans une grande gamme de fréquences) ; ou- accordée (n’émet qu'au voisinage d'une certaine fréquence).

Les antennes sont en général accordées et bandes étroites (ex :10MHz autour de 1GHz). Les antennes multibandes sont assez aisées à concevoir.Les antennes large bande font l’objet de R&D : certaines techniques sont déjà éprouvées .


Caractéristique 3 : impédance d’entrée et schéma équivalent

Le passage de la propagation guidée à l’espace libre doit se faire avec le moins de pertes

possibles, donc sans réflexion. Il faut donc adapter le générateur à l’antenne.

Pour cela, il faut connaître l'impédance d'entrée de l'antenne (et celle du générateur).

Sol

A

B

ie

ve

Sol

A

B

ie

ve

Sol

A

B

ie

ve

A

B

ie

veZe

A

B

ie

ve Ze

A

B

ie

ve ZeZe

A

B

ie

ve

A

B

ie

ve

Générateur d’impédance Ze* => antenne adaptée


Comprendre l’adaptation d’impédance

Le plus simple pour comprendre intuitivement: on prend des lignes microrubans avec différentes largeurs de ruban

Suiv

re a

u ta

blea

u


Caractéristique 4 : diagramme de rayonnement

Une antenne peut être : - unidirectionnelle (émet dans une direction donnée); - omnidirectionnelle (rayonne dans toutes les directions)


Quelques définitions

Définition du diagramme de rayonnement : Variations de l'énergie rayonnée dans l’espace en fonction de la direction.

Intensité de rayonnement :Puissance rayonnée par unité d'angle solide. Elle permet de caractériser le rayonnement de la source dans une direction donnée.


Éléments clefs du diagramme de rayonnement

Lobe principal

0

-3

-10

-20

-30

-40

-60 -30-90 -60-30 -900

Angle d’ouverture3 dB

Niveau des lobes secondaires

dB

Angle (°)


Exemples de diagrammes de rayonnement (1)

Antenne étudiée pour des applications radioastronomiques, large bande (100-300 GHz).

Face avant (antenne papillon) telle que ci-dessus

Face arrière pleine ou évidée avec une lentille (lentille pyramidale sur la

droite )

…ou le petit détail qui fait toute la différence…


Face arrière pleine Face arrière évidée avec lentille

gain au centre= ‐0,3dBgain au centre= 10,83dB

300 GHz

gain au centre= ‐7dBgain au centre= 2,7dB

100 GHz

Exemples de diagrammes de rayonnement (2)


Caractéristique 5 : le gain

Le gain d'une antenne 1 par rapport à une antenne 2 est obtenu en comparant leurs intensités de rayonnement respectives pour une même

puissance d'alimentation.

Le gain absolu d’une antenne est obtenu en prenant pour antenne de référence la source isotrope.

La source isotrope c’est celle qui rayonne de façon identique dans toutes les directions de l’espace.

C’est une antenne fictive : elle n’existe pas.

Fin des caractéristiques


1.2 Bilan de liaison

•La densité surfacique de puissance moyenne rayonnée àla distance R s’écrit :

24 RGPp ee

r

.

•La puissance reçue s’écrit avec Séq, la surface équivalente de réception de l’antenne:

44

2

2ree

éqrrG

RGPSpP

.

•Le bilan de liaison s’écrit alors :

22

4 RGG

PP re

e

r

.


2. Historique : rayonnement du dipole élementaire

2.1 Expérience de Hertz

Dates :1886 à 1888Qui : Physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz, université de Karlsruhe.But : Mettre en évidence les ondes électromagnétiques prédites par James ClerkMaxwell dans la décennie précédente. (Équations de Maxwell publiées en 1873). Comment : Emetteur = circuit LC oscillant au-delà de la limite de claquage et produisant une série d'arcs électriques ; Récepteur = boucle dont les extrémités sont séparées par un petit interstice. L'émission d'ondes électromagnétiques EM (dans le domaine radio) induit un courant électrique dans la boucle réceptrice qui se traduit par des arcs électriques. La polarisation de l'onde électromagnétique est mise en évidence par l'absence d'étincelle dans la boucle réceptrice lorsque celle-ci est perpendiculaire au condensateur de l'émetteur.


2.1 Expérience de Hertz, suiteConclusions : « cela n'a aucune espèce d'application. C'est juste une expérience qui permet de prouver que le maître Maxwell avait raison — nous avons simplement ces ondes électromagnétiques mystérieuses que nous ne pouvons voir à l'œil nu. Mais elles sont là. »[1]

[1] Eugenii Katz, « Heinrich Rudolf Hertz » sur Biographies of Famous Electrochemists and Physicists Contributed to

Understanding of Electricity, Biosensors & Bioelectronics

« Bobinage »

Éclateur

Le récepteur de Hertz Exemple d’éclateur à air : arc électrique formé lors de la séparation de deux conducteurs sous une différence de tension de 400 kV.


2.2 Un minimum de physique

erP

e r

e

r sin

x

y

z

I

Soit un dipôle élémentaire parcouru par un courant I.ejt

De section négligeable dS et de longueur négligeable dz.

« On* » montre que en champ lointain

eer

eIdzjeEE

eer

eIdzjeHH

tjrj

tjrj

sin2

sin2

Et qu’ils se propagent dans la direction définie par er

* Équations de Maxwell, jauge de Lorentz, notion de potentiels retardés, observations et mesures par Hertz


Quelques hommages supplémentaires

James Clerk Maxwell(1831-1879), écossais

Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) en 1916, Néerlandais


3. Différents types d’antennes

3.1 Cataloguea) Antennes filaires

Antennes filaires minces :

- section dS négligeable,

- rectilignes ou en anneau

- alimentées à une extrémité ou en une position milieu

- chargées ou en circuit ouvert à leur extrémité(=> ondes progressives ou stationnaires)

z

y

x

r

Antennes aisées à étudier

analytiquement :

Intégration des formules du

dipole élémentaire dz le long de

la longueur de l’antenne


a) Antennes filaires, diverses alimentations


a) Antennes filaires, rayonnement

exemple sur le dipôle

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

2L=lamda/42L=lamda/22L=3 lamda/42L=lamda2L=5Lamda/4

Ouverture -3dB2L<< 90°2L=/4 87°2L=/2 78°2L=3/4 64°2L= 48° Attention aux lobes

secondaires !

Gains typiques : dépend de la taille (2,15 dB pour

le dipôle demi-onde

+L

-L

Dipôle demi-onde. Rayonnement 3D (en dB)

Dipôle de longueur 2L. Rayonnement 2D (en linéaire)


a) Antennes filaires, galerie de photos

Antennes NVIS bande 3,4 MHz à 4 MHz. Antennes spécifiques

gendarmerie, pompiers, etc…

Poctel 1989 et GSM 2001.


a) Antennes filaires, problématique

+ l’antenne est grande (relativement àla longueur d’onde ) :

+ elle est directive

Mais + elle a de lobes secondaires

Problématique des antennes de façon générale


b) Antennes patch, principe

Elément rayonnant

Substrat

Plan de masse

SubstratFaible permittivité (r <3) ; Faible pertes :

•téflon (2<r <3)•polypropylène (r =2,18)•mousses synthétiques contenant beaucoup de minuscules poches d'air (r =1,03).

MétalLes métallisations sont en très bons conducteurs :

•cuivre (=5,8.107 S/m)•argent (=6,2.107 S/m)•or (=4,1.107 S/m)

Patch ou élément rayonnantForme •rectangulaire, •carrée, •circulaire, •en anneau,•Ou dipôle imprimé, complexifié ou non par une structure fractale…


b) Antennes patch, diverses alimentations

Alimentation directe

Alimentation par couplage électromagnétique


b) Antennes patch, rayonnementexemple du patch carré en /2

Intérêt principal : il est presque omnidirectionnel dans un demi espace.

Gain typique : 1 à 3 dB


b) Antennes patch, galerie de photos

DedansEx. Valise INMARSAT émission/réception 1,4 GHz Attention :

Prise en compte du packaging dans la modélisation

Intéressantes au-delà de 1 GHz !!

Dehors Ex. Antenne patch

commercialisée par Studio Sport

5,8 GHz 11 dB avec prise RP-SMA.

Ouverture de l’angle de réception = 75°


c) Plans réflecteurs

+L

-L

Plan réflecteurparfait

Pas de rayonnement en dessous

Tout est réfléchi vers le demi-espace du haut

Ex. de plan réflecteur : le sol.


c) Plans réflecteurs paraboliques

Réflexion en un point focal : là où est situé le détecteur


c) Plans réflecteurs paraboliques

Diagramme de rayonnement très directif

Mais beaucoup de lobes secondaires

Gain important (environ 20 dB)


d) Ouvertures rayonnantes

ab

B

A

xz

y

ab

B

Aa

b

B

A

xz

y

xz

y

Le cornet sectoral

C’est la continuité du guide (rectangulaire ou circulaire…) s’évasant peu à peu de façon à ce que l’énergie qui s’en échappe ne revienne pas.


d) Ouvertures rayonnantesdiagramme de rayonnement du

cornet rectangulaire

Formules analytiques possibles.

(Inutiles dans ce cours)

Diagramme de rayonnement plan H, en dB, du cornetnormalisé par rapport à son maxEchelle : 10 dB/div (1 dB/subdiv)

Diagramme de rayonnement assez directif

Peu de lobes secondaires

Gain de l’ordre de 15 dB


3.2 Quelle antenne pour quelle application ?

Un peu de réflexion…


3.3 Sumillimeter wireless

Secteur : ElectroniqueTélécoms (4‐6 Gbps)

Forte demande industrielle

TéléchargementsHaut‐débits

56‐64 GHz

TV HDMI

56‐64 GHz

Radars anti collision 77 GHz

Imagerie 90‐140 GHz


3.3 Sumillimeter wireless, suite

Pour ces applications précises :

<= Besoin d’antennes directionnelles dont on peut contrôler l’orientation du lobe principal

Réseaux d’antennes


4. Groupement d’antennes4.1 Les réseaux

N antennes alignées selon la direction x, repérées par leur position xi.

Equidistantes de d : xi = i . d

Alimentées en courants équi-amplitudes et déphasés de Ii = I0 . e j i

z

y

x

O

M

r

I0I1Ii

IN-2

IN-1

x1

xixN-2

xN-1


Facteur de réseau

On suppose sur l’antenne seule est l’antenne isotrope de référence

Le facteur de réseau ou fonction d'alignement est :

2sin

2nsin

.

avec cossin2 d

: longueur d’onde


Réseau en 2 dimensions

On définit x et y.

On multiplie les facteurs de réseaux propres à chaque alignement entre eux.

x = y = 0a=b=/4

5 sources en x 5 sources en y

x = y = 0a=b=/2

5 sources en x 5 sources en y


Exemple de réseau : l’antenne Yagi

Tout comme la parabole, elle a fleuri sur nos toits de 1950 à 1960.

Les brins en réseau ne sont pas alimentés.

Certains doigts agissent comme des réflecteurs

D’autres permet d’augmenter la directivité


Réseaux : galerie de photos

Radar tridimensionnel àbalayage électronique géant en Alaska

Balayage électronique

Si varie dans le temps, le facteur de réseau aussi.

On fait bouger le lobe principal

Déjà vu. Important ici : les antennes patch sont en réseau


Réseaux : galerie de photos

Représentation artistique du vaste réseau Alma


4.2 Les déphaseurs

Transmitter

Receiver

Mixer

LNA

PA

Duplexer

Splitter/

Combiner

Phase Shifters

Active Antennas

Schém

a bloc

d’une

tête

émissi

on

récept

ion

Déphaseur = élément essentiel des réseaux.

C’est un autre composant, une autre histoire…

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