Au-delà des fils : les antennes évoluent et s'adaptent pour répondre aux exigences sans fil contraignantes

Les antennes sont vraiment des dispositifs extraordinaires. Elles sont à la fois magiques, mystiques et absolument essentielles à notre monde sans fil. Depuis que Heinrich Hertz a utilisé pour la première fois un éclateur — un type d'antenne rudimentaire — dans les années 1880 pour envoyer des signaux en tant qu'énergie sans fil de part et d'autre d'une table, la conception et l'implémentation d'antennes jouent un rôle primordial dans le succès des dispositifs sans fil et des liaisons de communication qu'ils prennent en charge (Figure 1).

Figure 1 : Voici une version moderne de la configuration utilisée par Heinrich Hertz pour étudier le phénomène mystérieux que l'on connaît aujourd'hui en tant que transmission de puissance via des champs électromagnétiques sans fil. (Source de l'image : Lesics Engineers Pvt. Ltd.)

Alors que fait exactement une antenne ? Du point de vue de la physique et de la puissance, il s'agit d'un transducteur entre la puissance électrique d'un circuit (volts et ampères) et un champ électromagnétique (EM) en espace libre, tel que caractérisé par les équations de Maxwell. Nous reviendrons plus en détail sur l'aspect physique dans un autre article, mais pour l'instant, il suffit de savoir que les antennes affichent une réciprocité et sont directionnellement agnostiques : elles sont capables de transmettre la puissance électrique d'un circuit vers l'espace libre et de capturer la puissance électromagnétique ambiante pour la redistribuer à un circuit.

Une antenne peut être une simple longueur de fil ou une configuration étonnamment complexe composée de nombreux éléments, d'arrangements soigneusement géométriques et d'interconnexions sophistiquées. La taille des antennes varie également de quelques millimètres à d'imposants systèmes qui occupent plusieurs hectares, selon la fréquence, la puissance et d'autres caractéristiques de performances requises, mais aussi les contraintes spatiales du système qu'elles desservent.

Comme tous les composants, elles sont avant tout caractérisées par plusieurs paramètres principaux, suivis de nombreux paramètres secondaires. Évidemment, dans certaines applications, un attribut secondaire peut également être très important. Les attributs principaux sont notamment les suivants :

• Fréquence de fonctionnement : le centre de la fréquence ou de la bande sur laquelle l'antenne fournit des performances utiles.
• Largeur de bande : la largeur du spectre sur lequel l'antenne fonctionne (conception monobande ou multibande).
• Rendement : la capacité à rayonner ou à capturer l'énergie électromagnétique.
• Rayonnement : le diagramme dans un plan horizontal à 360° (azimut) et un plan vertical (élévation) (Figure 2).

Figure 2 : Parmi les nombreux attributs intéressants d'une antenne figurent les diagrammes de rayonnement en azimut et en élévation. (Source de l'image : VCEguide)

Il n'existe aucun classement simpliste de type bon/mieux/meilleur pour chacun de ces facteurs. Par exemple, certaines applications nécessitent une plus grande largeur de bande, tandis que d'autres ont besoin d'une largeur de bande plus restreinte pour répondre au mieux aux exigences concernées.

L'antenne idéale ressemblerait à une charge purement résistive à sa fréquence de fonctionnement (typiquement 50 ou 75 Ω), mais l'impédance de la plupart des antennes réelles inclut également un élément réactif. En même temps, la sortie de l'émetteur qui commande l'antenne (ou le récepteur connecté à l'antenne) présente sa propre impédance réactive non résistive. La combinaison de ces deux réalités nécessite souvent l'adaptation de ces impédances.

Contrairement à ce qu'on pourrait croire, cette « adaptation » ne signifie pas que ces impédances sont égales. Cela signifie plutôt que l'impédance de la source et l'impédance de la charge sont des conjugués complexes l'une de l'autre, ce qui entraîne un transfert de puissance maximal entre les deux. Comme pour les antennes, il existe d'innombrables configurations, composants et techniques permettant d'implémenter la transformation d'impédance pour assurer cette adaptation, notamment en utilisant des composants passifs discrets (Figure 3).

Figure 3 : Ce circuit symétriseur représentatif utilise des condensateurs et des résistances pour assurer l'adaptation d'impédance d'une antenne qui possède à la fois des composants d'impédance résistifs et inductifs. (Source de l'image : ResearchGate)

Pour la liaison émetteur-antenne, le but est d'avoir un rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) aussi proche que possible de l'unité, ce qui permet d'avoir un transfert de puissance efficace sans puissance réfléchie qui revient à la source.

Ne vous laissez pas intimider

Étant donné les innombrables types et configurations d'antennes, le sujet tout entier peut paraître intimidant. Heureusement, il y a un principe de base à garder en tête : presque toutes les antennes sont conçues à partir de l'un des deux éléments fondamentaux qui existent. Il y a l'antenne unipolaire « non équilibrée » à un seul élément avec un plan de masse réel (ou virtuel) qui se caractérise par sa conception à long fil ou à fouet (Figure 4), et l'antenne dipôle équilibrée non reliée à la masse (Figure 5). Ces éléments de base sont souvent utilisés seuls, mais sont aussi utilisés pour former des configurations d'antennes plus complexes et plus grandes.

Figure 4 : L'antenne à long fil ou l'antenne fouet est une conception à un seul élément qui utilise un plan de masse (ici, le toit d'une voiture, à gauche). Le schéma de l'antenne montre sa simplicité (à droite). (Sources des images : Lihong Electronic ; Electronics Notes)

Figure 5 : L'antenne dipôle de base est une antenne symétrique équilibrée sans référence de masse (à gauche), comme l'illustre son schéma (à droite). (Sources des images : TCARES.net ; Tutorials Point)

Un adaptateur appelé symétriseur implémente une transition électrique entre un circuit non équilibré relié à la masse et une antenne dipôle équilibrée non reliée à la masse si nécessaire. Il peut également transformer l'impédance (en ohms [Ω]) pour assurer l'adaptation résistive entre la source/le récepteur et l'antenne (Figure 6).

Figure 6 : Ce symétriseur passif transforme une impédance non équilibrée de 50 Ω en impédance équilibrée de 300 Ω. (Source de l'image : Pinterest)

Les systèmes d'antennes ont évolué au même rythme que les applications en termes de fréquence, de complexité et de flexibilité. Par exemple, les points d'accès 5G utilisent plusieurs antennes dans une configuration d'antenne réseau à commande de phase, où les éléments individuels des antennes sont pilotés électroniquement en déphasant leurs sources. Il s'agit d'une évolution technologique initialement utilisée dans les radars militaires et qui a ensuite remplacé le mouvement mécanique de l'assemblage d'antennes complet.

D'autres antennes sont de minuscules résonateurs céramique diélectriques, qui sont en fait des antennes sous forme de puces miniaturisées avec des plans de masse métallisés. D'autres encore utilisent la carte à circuit imprimé du produit fini pour leur plan de masse (asymétrique) ou leurs éléments d'antenne dipôle.

Étant donné la complexité des antennes et de leurs configurations possibles, comment en choisir une pour votre application ? Vous commencez avec les milliers d'antennes de toutes tailles et de tous attributs de performances disponibles dans le commerce ou sur catalogue. Ces antennes sont associées à des fiches techniques détaillées qui présentent leurs caractéristiques et leurs performances réelles testées.

Si une nouvelle conception d'antenne est nécessaire pour répondre à des attributs spécifiques de taille, de fréquence ou de performances, il existe des outils modernes de simulation et de modélisation extrêmement puissants. Ces solveurs de champs électromagnétiques peuvent modéliser les performances des champs électriques et magnétiques (respectivement E et H) de presque n'importe quelle configuration d'antenne (Figure 7).

Figure 7 : Les outils avancés de modélisation des champs électromagnétiques peuvent évaluer quantitativement les performances des configurations d'antennes simples et complexes. (Source de l'image : Altair Engineering, Inc.)

Ces outils sont désormais suffisamment sophistiqués pour tenir compte des problèmes des antennes dans le monde réel, comme les effets de « distorsion » du champ électromagnétique aux extrémités des éléments et leur épaisseur non nulle. Ils peuvent même modéliser les effets des surfaces et des composants adjacents, ainsi que les parasites inévitables.

Généralement, ces programmes de modélisation peuvent analyser, mais pas créer, tandis que certains peuvent même aider à la conception de l'antenne requise en proposant des alternatives et en suggérant des modifications. Les chercheurs ajoutent maintenant l'intelligence artificielle (IA) à ces programmes, ce qui leur permettra d'imaginer, d'explorer et d'analyser de nombreuses configurations possibles afin de répondre aux objectifs de performances spécifiés. Ils pourront même identifier les compromis nécessaires dans le cadre du processus de sélection d'une conception finale.

Conclusion

Les antennes peuvent constituer les éléments les plus simples d'une conception ou les plus sophistiqués et les plus diversifiés, en fonction de l'application et des priorités. Tandis que les fréquences de fonctionnement augmentent et que le spectre est de plus en plus surchargé, les antennes doivent faire toujours plus et mieux, malgré de nouvelles contraintes et des conditions plus délicates en matière de définition des priorités et de pondération quant à leurs nombreux paramètres de performances et autres capacités. Restez à l'écoute, nous y reviendrons plus en détail.

Lectures recommandées

Article sur la conception, les applications et les performances des antennes

https://www.digikey.fr/fr/articles/antennas-design-application-and-performance

Article sur les nombreux facteurs qui déterminent le choix d'une antenne

https://www.digikey.fr/fr/articles/antenna-selection-depends-on-many-factors

Article sur la compréhension des spécifications et le fonctionnement des antennes (1re partie)

https://www.digikey.fr/fr/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

Article sur la compréhension des spécifications et le fonctionnement des antennes (2e partie)

https://www.digikey.fr/fr/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2

Article sur l'utilisation des antennes monopuces et planaires pour résoudre les problèmes RF multibandes et de diversité

https://www.digikey.fr/fr/articles/applying-chip-patch-antennas-diversity-multiband-rf-issues