Caractéristiques radioélectriques d’une antenne élémentaire

Conformément à l’état de l’art antérieur des antennes de stations de base [1], [2], les spécifications radioélectriques reposent d’une part sur le modèle de couverture et d’autre part sur les caractéristiques électriques nécessaires pour maximiser les performances de rayonnement de l’antenne (adaptation d’impédance, gain, etc.). On ajoute à cela la notion de diversité de polarisation, qui met la transmission radio à l’abri d’éventuelles pertes de niveau du signal liées à la dépolarisation provoquée par les multi-trajets du champ reçu par les antennes. De plus, en tenant compte de notre cahier des charges établi pour le réseau (Chapitre I Introduction), nous pouvons résumer les spécifications souhaitées de l’antenne élémentaire dans le tableau suivant :

II.1 Etat de l’art

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Tableau II-1 : Spécifications radioélectriques d’une antenne élémentaire

Fréquence 3,4 – 3,8 GHz (11,11%)

Gain minimum 8 dBi

VSWR (adaptation) < 1,4 (soit |Γn| ≤ −15 dB)

Ouverture à 𝛉_{−𝟑𝐝𝐁} dans le plan

azimutal > 65°

Ouverture à 𝛉_{−𝟑𝐝𝐁} dans le plan vertical Non spécifiée

Polarisation Double polarisation linéaire ± 45°

Discrimination de la polarisation

croisée < -15 dB

Isolation entre les ports < -20 dB

Figure II-1 : Disposition du réseau d’antennes à l’usage

De manière générale, pour les stations de base, le réseau est orienté verticalement, par conséquent l’ouverture du diagramme des antennes dans le plan azimutal désigne également la largeur angulaire de couverture du réseau. Le principal intérêt des réseaux est jusqu’alors d’accroitre le gain et de permettre un léger dépointage du diagramme de rayonnement dans le plan vertical autour de 10 -15°. Cependant, dans le cas des réseaux d’antennes à rayonnement reconfigurable dans le plan azimutal, comme représenté sur la Figure II-1, l’ouverture de rayonnement des antennes élémentaires influence directement la capacité de dépointage du diagramme de rayonnement du réseau. Une antenne élémentaire à rayonnement large entrainera une perte de gain moindre lors d'un dépointage. Comme nous l’avons vu dans le chapitre précédent, pour réaliser des dépointages à ±45° à moindre coût énergétique, il est préférable d’avoir une ouverture à

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mi-puissance supérieure ou égale à 90°. Sous l’influence de leur environnement, les antennes en réseau ont tendance à se retrouver avec des diagrammes de rayonnement à ouverture plus large et pour cette raison il convient d’utiliser une antenne dont l’ouverture à mi-puissance est moins large lorsqu’elle est isolée (65° - 90°). Pour plus de clarté, la Figure II-1 présente l’orientation du réseau d’antennes dans le repère xyz. Nous pouvons distinguer le plan azimutal qui correspond au plan xoy, il définit également le plan de coupe (θ = +90° et − 90° ≤ φ ≤ +90°) des diagrammes de rayonnement qui seront étudiés.

Le gain d’une antenne est principalement impacté par les pertes dues aux désadaptations et celles inhérentes au système d’alimentation alors que la directivité est une grandeur intrinsèque de l’antenne. Lorsqu’on connait les pertes liées à la désadaptation de l’antenne et aux matériaux (métal et diélectrique), le gain réalisé peut être déduit de la directivité en appliquant la relation suivante [3]:

G = (1 − |Γ|2)ε_L D II.1-1

où Γ désigne le coefficient de réflexion mesuré sur le port d’entrée de l’antenne et εL le

paramètre quantifiant les pertes liées aux matériaux (ε_L = 1 sans perte), ce sont des pertes qu’on retrouve au niveau de l’antenne et des lignes de transmission. Le facteur (1 − |Γ|2_)ε

L représente l’efficacité de rayonnement d’une antenne.

L’adaptation d’une antenne est définie par son impédance d’entrée qui est complexe et traduit ainsi les effets inductifs ou capacitifs de cette dernière. Cette impédance d’entrée peut être représentée par le coefficient de réflexion de l’onde sur son accès ou le rapport d’ondes stationnaires noté VSWR [4] pour « Voltage Standing Wave Ratio ».

Z = Zo 1+Γ

1−Γ II.1-2

VSWR =1+|Γ|

1−|Γ| II.1-3

L’impédance d’entrée idéale d’une antenne est désignée par Z_o, elle vaut souvent 50 Ω mais peut différer notamment dans le cas d’antennes large bande et/ou très basse fréquence. Lorsqu’une antenne est bien adaptée, son coefficient de réflexion tend vers 0 et son rapport d’ondes stationnaires vers 1. Ceci est particulièrement important pour une antenne à l’émission. Par exemple une adaptation de -15 dB correspond à une perte d’efficacité de 3 % environ, ce qui est en pratique généralement acceptable.

Lorsque l’antenne élémentaire est à double polarisation, donc disposant de deux ports d’alimentation, les coefficients de réflexion sur chaque port et leurs coefficients de couplage peuvent être représentés respectivement par S₁₁ et S₂₂ et par S₂₁ et S₁₂.

Compte tenu du couplage, les performances radioélectriques de l’antenne élémentaire changent après sa mise en réseau. C’est pourquoi, le gain ainsi que l’adaptation et l’isolation (niveau de découplage) entre les ports sont spécifiés de manière à garantir au minimum un gain de 5 dBi par antenne, une adaptation de -10 dB et un découplage de 15 dB. Il faut noter qu’il est indispensable d’avoir un minimum d’adaptation et de découplage pour minimiser les pertes d’efficacité de rayonnement du réseau, et pour éviter le dysfonctionnement du circuit d’alimentation des antennes notamment des amplificateurs en l’absence d’isolateur [5], [6].

II.1 Etat de l’art

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En outre, le champ électromagnétique émis subit plusieurs réflexions et diffractions qui ont tendance à modifier la polarisation de l’onde. Cela occasionne une dégradation du signal reçu [1], [2]. C’est pourquoi, les antennes pour les stations de base de type macrocellule en particulier exploitent la diversité de polarisation en utilisant une antenne à double polarisation orthogonale (voir Figure II-4) afin de réduire les effets indésirables de la dépolarisation des signaux reçus. On note que la double polarisation est réalisée à ± 45° par rapport au plan de rayonnement azimutal du réseau, afin de ne pas être sensible aux différences de propagation des polarisations E et H. Pour obtenir une bonne diversité de polarisation, les composantes croisées des diagrammes de rayonnement doivent être au moins 10 dB en-dessous des composantes principales dans leurs ouvertures principales. De plus, les deux polarisations doivent être suffisamment isolées (15 dB).