Bibliographie & annexes
Présentation
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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Wireless communication systems or imaging radar are implemented today in the millimeter wave band [30-300 GHz] to achieve high data rates or to improve the resolution of radars. This article presents key points of antenna design in the millimeter wave range: choice of dielectric materials, efficiency, integration of active devices. These aspects are discussed and applications needing high gain or reconfigurable antennas are presented to illustrate them.
Auteur(s)
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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
KEYWORDS
millimeter waves | high data rate communications | automative radars | reconfigurable antennas
DOI (Digital Object Identifier)
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Spécificités du spectre d’ondes millimétriques1. Applications en ondes millimétriques
Le spectre des ondes millimétriques qui s’étend de 30 à 300GHz a longtemps été exploité pour des applications limitées à la recherche scientifique, la radioastronomie et les communications militaires entre satellites par exemple. Plus récemment, s’est développé le marché des communications satellite-terre pour l’accès à l’internet large bande, les transferts de données sans fil dans l’habitat, les radars automobiles pour la régulation de vitesse ou pour éviter les accidents, ou bien encore les systèmes de télécommunication sans fil point à point ou point multipoints, permettant d’approcher les performances obtenues avec la fibre optique mais à un coût d’installation plus réduit. En outre, ces fréquences élevées sont également utilisées pour la conception de systèmes d’imagerie permettant d’accroître la sécurité, notamment dans les aéroports par la détection d’objets dangereux.
Ces systèmes en bande millimétrique se développent du fait de la rareté des bandes libres dans le spectre des ondes centimétriques, mais également car elles permettent d’utiliser des bandes utiles plus larges, et ainsi d’augmenter de manière significative les débits de transfert d’information et d’améliorer la résolution des systèmes radars. Ce développement des systèmes en bande millimétrique est également possible du fait des progrès des technologies silicium et de solutions d’intégration à faible coût permettant l’utilisation de technologies sans fil pour des applications grand public.
En outre, les faibles longueurs d’onde (1 à 10mm) permettent notamment la conception d’antennes compactes tout en présentant un faisceau de rayonnement étroit, afin de lutter plus efficacement contre les interférences entre systèmes de communication. Enfin, comme l’atténuation en espace libre est importante en millimétrique (68dB sur un mètre à 60GHz), ceci permet également une plus grande confidentialité lors de l’échange de données.
Le tableau 1 résume de manière non exhaustive les principales applications civiles et militaires en ondes millimétriques en précisant les bandes de fréquences allouées. Ces applications touchent aussi bien des liaisons point à point ou point – multipoints de 28 à 95GHz, les futurs système 5G à haut débit...
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Applications en ondes millimétriques
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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