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RÉSUMÉ
Les communications sans fil et d’imagerie radar se déploient aujourd’hui en bande millimétrique [30-300 GHz] afin d’assurer de forts débits ou d’améliorer la résolution des radars. Dans cet article, il sera présenté les points clef de la conception d’antennes en millimétrique à savoir: le choix des matériaux diélectriques, l’efficacité, l’association avec des modules actifs. Ces notions sont décrites et des applications nécessitant des gains d’antennes élevés ou de la reconfigurabilité sont présentées afin de les illustrer.
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Olivier LAFOND : Enseignant chercheur à l’Université de Rennes 1 - Institut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes (IETR), UMR CNRS 6164, Université de Rennes 1, Rennes, France
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Mohamed HIMDI : Enseignant chercheur à l’Université de Rennes 1 - Institut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes (IETR), UMR CNRS 6164, Université de Rennes 1, Rennes, France
INTRODUCTION
Les futurs systèmes de communication sans fil exigeront inévitablement des débits de l’ordre de plusieurs Gigabits par seconde (Gbit/s) afin de répondre à l’augmentation exponentielle des quantités de données (notamment pour la vidéo haute définition (HD)) à transmettre que ce soit pour les réseaux fixes ou mobiles. De même, la croissance du marché des radars automobiles pour la sécurité routière ou des systèmes d’imagerie pour la sécurité civile (aéroports ou suivi de personnes jugées menaçantes) engendre de fortes activités de recherche et d’ingénierie pour améliorer la résolution de ces systèmes afin de distinguer et de classer des cibles à moyenne ou grande distance (jusqu’à quelques centaines de mètres). Ces demandes imposent de travailler en ondes millimétriques [30-300GHz] afin de disposer d’une bande de fréquences suffisante (plusieurs Gigahertz) répondant à ces nouvelles spécifications système. Les applications, que ce soient les futurs réseaux à haut débit de 5e génération (5G), les systèmes de transfert de données en indoor à 60GHz ou bien encore les radars automobiles [76-81GHz], imposent la mise en œuvre de systèmes émission-réception bas coût et performants, mais également la conception d’antennes dédiées, c’est-à-dire présentant de bonnes performances en gain et en rayonnement. Ces antennes se doivent le plus souvent d’être reconfigurables afin de lutter efficacement contre les phénomènes d’obstruction dus au canal de propagation (indoor notamment). L’utilisation du spectre millimétrique impose cependant des contraintes technologiques importantes, telles que l’utilisation et la maîtrise de matériaux diélectriques à faible pertes, l’interconnexion des antennes et des modules actifs, et l’obtention d’antennes à gain élevé (20-30dBi ou plus) avec des possibilités de reconfigurabilité du diagramme de rayonnement (balayage mécanique ou électronique du faisceau, ouverture de faisceau variable…).
Cet article a pour objectif de présenter dans un premier temps les applications industrielles principales et les spécificités du spectre fréquentiel millimétrique, avec notamment une forte atténuation en espace libre, l’absorption atmosphérique des ondes par certaines molécules (le dioxygène à 60GHz) ou bien encore les problèmes d’efficacité des antennes du fait des pertes induites par les matériaux utilisés. Par la suite, plusieurs applications industrielles identifiées tels les systèmes de communication à haut débit en indoor à 60GHz, les radars automobiles en bande W (79GHz) ou bien les systèmes d’imagerie pour la sécurité civile, permettent de présenter des solutions antennaires innovantes tout en évoquant les problématiques associées à chacune d’entre elles.
Des exemples concrets de réalisation d’antennes, notamment reconfigurables, illustrent les problématiques et les solutions présentées.
Un glossaire et un tableau des sigles et symboles utilisés sont présentés en fin d'article.
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MOTS-CLÉS
ondes millimétriques communications haut débit radars d'aide à la conduite antenes reconfigurables
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Systèmes antennaires pour application imagerie en millimétriqueArticle inclus dans l'offre
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4. Antennes pour applications radars automobiles à 24 et 79GHz
4.1 Introduction et spécifications
Les radars automobiles embarqués sur véhicules ont pour objectif d’éviter ou d’anticiper les accidents de la route responsables en 2010 de plus de 40000 morts en Europe. Jusqu’à ce jour, ces systèmes fonctionnent dans les bandes 24GHz (bande étroite de 200MHz ou large bande de 5GHz) et 77GHz pour les radars à longue portée de type ACC (Auto-Cruise-Control). Les radars à longue portée (LRR : Long Range Radar) doivent permettre de détecter les autres véhicules jusqu’à 200m avec des antennes ayant un faisceau étroit (3-4°) et un secteur angulaire de vue d’environ ±10°. Les radars à courte portée (SRR : Short Range Radar) doivent permettre quant à eux la détection d’obstacles jusqu’à 30m et avec des antennes présentant un faisceau plus large (28° en azimut et 4° en élévation) et avec un secteur angulaire de vue d’environ ±70° afin d’avoir une connaissance de l’environnement du véhicule (présence de piétons…). Les radars large bande (21,6-25,6 GHz) actuellement dédiés à la détection courte portée migreront d’ici 2018 vers la bande 77-81GHz (régulation européenne) ce qui induit de nouveaux axes de développements technologiques concernant les circuits et les antennes pour la réalisation de radars à coût raisonnable dans ces futures bandes millimétriques.
Les spécifications en termes d’ouverture de faisceau et de gain, que ce soient pour les radars SRR ou LRR, induisent le plus souvent la mise en œuvre d’antennes à forte directivité et reconfigurables, c’est-à-dire permettant de dépointer le faisceau ou de le reconfigurer mécaniquement ou électroniquement. Ainsi, les types d’antennes le plus souvent utilisées sont les antennes réseaux imprimés qui facilitent l’intégration avec les modules actifs, mais qui induisent des pertes non négligeables, des antennes lentilles permettant de focaliser le rayonnement issu de sources élémentaires ou bien encore d’antennes de type reflect-array ou guides à fentes.
Divers exemples de réalisation sont expliqués dans la suite de l'article pour illustrer ces différents concepts.
HAUT DE PAGE4.2 Systèmes et antennes commercialisés...
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Antennes pour applications radars automobiles à 24 et 79GHz
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - VIZARD (D.R.) - Millimeter-wave Applications : From Satellite Communications to security Systems. - Microwave Journal (July 2006).
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(2) - LIU (D.) et al - Advanced Millimeter-wave Technologies – Antennas Packaging and Circuits. - Wiley, ISBN 9780470996171 (2009).
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(3) - SAULEAU (R.) - Étude de résonateurs de Perot-Fabry et d'antennes imprimées en ondes millimétriques. Conception d'antennes a faisceau gaussien. - Thèse de l’Université de Rennes 1 (1999).
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(4) - PIROLLO (B.P.) et al - Millimetric Technologies for future vehicule Communications. - 3rd International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, Proceedings, pp. 1-6 (2002).
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(5) - ALAAEDDINE (H.) - Contribution à la caractérisation de matériaux diélectriques par résonateurs submillimétriques en technologies planaire et LTCC. - Thèse de l’Université de Limoges (2011).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
École Européenne sur les antennes (European School of Antennas / ESoA) : ‘’Millimeter Wave Antennas and Technologies’’, cours ayant lieu tous les deux ans à l’Université de Rennes 1.
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Institut d’Électronique et Télécommunications de Rennes, IETR UMR CNRS 6164
Laboratoire Traitement et Communication de l’Information, LTCI UMR CNRS 5141, Télécom ParisTech.
Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Information, de la Communication et de la Connaissance, LabSTICC, UMR CNRS 6285.
CEA – LETI
Laboratoire d’Électronique, Antennes et Télécommunications, LEAT UMR CNRS 7248, Université Nice Sophia Antipolis.
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