Les communications sans fil se développent à un rythme incroyablement rapide. Au cours de la dernière décennie, le nombre d’utilisateurs de smartphones a presque quadruplé, selon Statista. Presque tous les secteurs d’activité utilisent aujourd’hui des dispositifs sans fil. Les infrastructures intelligentes, l’Internet des Objets, les véhicules intelligents et l’industrie du divertissement sont autant de domaines dans lesquels les systèmes d’antennes avancés sont essentiels à leur existence. Cet article présente les principes fondamentaux des systèmes d’antennes, les différents types d’antennes et ce à quoi pourrait ressembler l’avenir des antennes avancées.
Quatre caractéristiques des types d’antennes modernes
Les systèmes d’antennes avancés d’aujourd’hui permettent la transmission et la réception d’ondes électromagnétiques avec une efficacité accrue, une meilleure qualité de signal et une couverture élargie. Pour concevoir ces systèmes en vue d’une performance optimale, les ingénieurs prennent en compte quatre caractéristiques fondamentales des antennes pour chaque application spécifique.
La fréquence électromagnétique
La fréquence du rayonnement électromagnétique peut être ajustée. Ce niveau mesurable est appelé RF (radiofréquence), qui occupe des bandes de fréquences spécifiques du spectre électromagnétique. Les antennes convertissent les signaux électriques en ondes électromagnétiques pour la transmission et la réception. L’application détermine les fréquences de ces ondes.
Par exemple, les antennes radar à longue distance au-dessus de l’horizon peuvent transmettre et recevoir des ondes électromagnétiques de basse fréquence allant de 3 à 30 MHz, alors que les antennes 5G transmettent et reçoivent des fréquences beaucoup plus élevées allant de 450 MHz à 7 GHz et de 25 GHz à 52 GHz.
Bande passante de l’antenne
Alors que les antennes simples traitent une seule fréquence, les systèmes d’antennes les plus avancés traitent une gamme de fréquences électromagnétiques. Cette plage correspond à la « largeur de bande » de l’antenne. La largeur de bande d’une antenne définit la largeur du spectre entre les bandes de fréquences les plus basses et les plus hautes prises en charge.
Les antennes à faible largeur de bande sont très efficaces, simples et moins sujettes aux interférences. Toutefois, leur capacité d’adaptation à l’évolution des normes de communication est très limitée. Elles fonctionnent fondamentalement dans une plage de fréquences limitée.
Les antennes à grande largeur de bande offrent une plus grande flexibilité sur plusieurs bandes simultanées et sont généralement compactes. Cependant, ces antennes sont plus sujettes aux interférences. Elles nécessitent également une conception méticuleuse et des systèmes d’interprétation des signaux, ce qui les rend coûteuses et complexes.
Gain de l’antenne
Le « gain » de l’antenne peut être ajusté pour diriger et concentrer l’énergie rayonnée dans une direction spécifique. Le gain d’une antenne, mesuré en décibels (dB), détermine l’efficacité des signaux qu’elle émet ou reçoit. Les antennes de radiodiffusion transmettent des signaux radio à plusieurs récepteurs simultanément à des distances variables, ce qui se traduit par des valeurs de gain très élevées, allant de dizaines à des centaines de décibels. En revanche, les antennes Wi-Fi domestiques sont conçues pour couvrir une portée limitée et ont rarement des gains supérieurs à 10 décibels. Intuitivement, plus la valeur du gain de l’antenne est élevée, plus la puissance nécessaire pour produire le signal est importante.
Polarisation des signaux
La polarisation de l’antenne fait référence à l’orientation de la composante du champ électrique de l’onde électromagnétique créée ou reçue par l’antenne. La polarisation de l’antenne peut être utilisée pour améliorer les performances de l’antenne point à point. Il existe trois principaux types de polarisation : verticale (linéaire), horizontale (linéaire) et circulaire.
- Les antennes à polarisation verticale sont couramment utilisées dans les systèmes de radiodiffusion étant donné que de nombreuses antennes de réception sont orientées verticalement, comme les antennes automobiles.
- L’orientation horizontale est souvent utilisée dans les communications point à point sur de longues distances, car ces signaux sont moins vulnérables aux conditions atmosphériques telles que la pluie, qui peut disperser le signal et en réduire l’intégrité.
- Les antennes à polarisation circulaire sont couramment utilisées dans les systèmes de communication par satellite. Elles peuvent être utilisées indépendamment de l’orientation ou de la rotation des antennes de réception, qui peuvent souvent changer avec le mouvement de l’antenne.
Types fondamentaux d’antennes
Il existe plusieurs types d’antennes courantes qui présentent chacune des caractéristiques uniques qui les rendent adaptées à des applications spécifiques et inadaptées à d’autres.
Antennes dipôles
Les antennes dipôles, telles que l’antenne Pulse Electronics W5017, sont le type d’antenne le plus reconnaissable et sont couramment utilisées dans la radiodiffusion et la télédiffusion, ainsi que dans les systèmes de communication sans fil tels que les routeurs Wi-Fi. Les antennes dipôles ont généralement une bande passante étroite optimisée pour une fréquence spécifique. Elles ont un gain modéré, allant de 2 dB à 6 dB. Compte tenu de leur nature linéaire, elles peuvent fonctionner en polarisation verticale et horizontale.
Antennes paraboliques réfléchissantes
Les antennes paraboliques réfléchissantes, telles que la 2867885, sont appelées de manière stéréotypée « antennes paraboliques », en raison de leur utilisation quotidienne dans les systèmes de communication par satellite, mais elles peuvent également être utilisées pour les liaisons de communication point à point à longue portée. Les antennes à réflecteur parabolique peuvent avoir une largeur de bande modérée à large, supportant ainsi plus de fréquences qu’une antenne dipôle. Elles sont connues pour leur gain élevé, allant de 20 à 100 dB, et peuvent prendre en charge la polarisation linéaire et circulaire.
Antennes en réseau
Les antennes en réseau sont constituées de plusieurs éléments d’antenne individuels disposés selon un schéma. En contrôlant intentionnellement la phase et l’amplitude de chaque élément d’antenne, les antennes réseau peuvent fournir une formation de faisceau et orienter le faisceau du signal vers le récepteur afin d’améliorer la qualité du signal. Ces systèmes d’antennes varient en fonction de l’application et peuvent atteindre des largeurs de bande modérées ou étendues. Ils peuvent fournir un gain modéré allant de 10 à 30 dB et s’adapter à la polarisation linéaire (horizontale ou verticale) et circulaire. Cependant, la polarisation d’une antenne réseau est fonction de la polarisation des éléments individuels de l’antenne. On voit souvent des antennes réseau au sommet des tours de télécommunication et dans les zones urbaines densément peuplées. Ces systèmes d’antennes réseau permettent la mise en place d’infrastructures de communication complexes telles que les antennes 5G, les infrastructures MIMO (multi-entrées et multi-sorties), etc.
Antennes patch
En tant qu’antennes à profil très bas, les antennes patch comme l’Abracon APAGM2704A-C2G sont utilisées dans les appareils portables et autres appareils de communication sans fil. Ces antennes consistent en un patch métallique plat monté sur un substrat diélectrique qui peut être conçu pour supporter une polarisation linéaire ou circulaire. Les antennes patch ont généralement des valeurs de gain modérées allant de 2 dB à 9 dB et peuvent atteindre une largeur de bande modérée à large en fonction de leur configuration.
Systèmes d’antennes avancés du futur
La physique fondamentale qui permet les types d’antennes sans fil ne changera jamais, mais les systèmes qui contrôlent, optimisent et amplifient l’efficacité de la communication par antenne ne cesseront d’accroître leurs capacités. L’utilisation de différents types d’antennes dépend de la fréquence, de la largeur de bande, du gain et de la polarisation de la fonction de l’antenne. Les systèmes sans fil modernes se composent des types d’antennes énumérés dans cet article, ainsi que d’antennes spécifiques qui s’appuient sur les mêmes types fondamentaux d’antennes. Les capacités globales d’un système sans fil peuvent être considérablement affectées par l’antenne utilisée, mais peuvent également être manipulées par le système de contrôle du signal.
De nombreuses applications avancées de la technologie des antennes utilisent des systèmes de contrôle complexes, tels que les systèmes MIMO, de formation de faisceaux, d’antennes distribuées, de multiplexage et de diversité spatiale. Ces applications utilisent les mêmes attributs de base que celles identifiées dans cet article, mais peuvent améliorer considérablement les performances de communication dans les systèmes de communication sans fil actuels et futurs. Pour plus d’informations sur ce sujet, consultez notre article annexe, Applications avancées de la technologie des antennes.
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