L'évolution rapide des technologies de communication sans fil a créé un besoin urgent de systèmes d'antenne capables de gérer des taux de données croissants, des latences plus faibles et une connectivité plus fiable. Les réseaux d'antennes à bande ultralarge (UWB) sont devenus la pierre angulaire des réseaux 5G et des normes sans fil futures, offrant la possibilité de fonctionner sur un spectre de fréquences très large, allant de centaines de mégahertz à des dizaines de gigahertz. Cette large bande passante permet la transmission de données à haute vitesse, la détection radar précise et un positionnement intérieur robuste.

Les fondamentaux des antennes à bande ultra large

Un réseau d'antennes à bande ultralarge est une collection d'éléments rayonnants conçus pour maintenir des performances cohérentes – adéquation des amplitudes, spectre, gain et polarisation – sur une plage de fréquences qui s'étend généralement sur une décennie ou plus. Pour les réseaux 5G et au-delà, les réseaux UBB couvrent les bandes de sous--6 GHz ainsi que les fréquences d'onde millimétrique (mmWave) de 24 GHz à 60 GHz et même plus.

Les types d'éléments communs de l'UBB comprennent les antennes Vivaldi (slots tachés), les dipôles de la courbe, les monopoles planaires, les patchs en forme de fractale et les structures log-périodiques. Les antennes Vivaldi, avec leurs fentes exponentiellement coniques, offrent une excellente bande passante d'impédance (souvent >10:1) et des motifs symétriques, les rendant populaires pour les réseaux linéaires et planaires.

Les tableaux linéaires sont adaptés à la direction du faisceau 1D; les tableaux planaires fournissent une direction 2D et sont courants dans les stations de base et les équipements d'utilisation; les tableaux conformaux sont montés sur des surfaces courbes pour des raisons aérodynamiques ou esthétiques. Les tableaux spars réduisent le nombre d'éléments tout en maintenant la commande du lobe latéral et l'espacement non uniforme peut améliorer la suppression des lobes de grille sur de larges largeurs de bande.

Défis et solutions de conception

La conception de réseaux d'antennes UBB présente plusieurs défis interdépendants qui nécessitent des compromis prudents et des techniques avancées.

Impédance correspondant à la largeur de bande

L'auto-imprécision de chaque élément varie en fonction de la fréquence et le couplage mutuel des éléments adjacents fausse encore davantage la correspondance. Les ingénieurs utilisent des réseaux de correspondance à large bande, tels que les transformateurs à ondes trimestrielles multi-étapes, les transformateurs Chebyshev ou les baluns distribués. Pour les réseaux, le réseau d'alimentation doit également préserver la correspondance d'impédance dans des conditions de balayage.

Le couplage mutuel et son atténuation

Pour les tableaux UBB, l'effet est dépendant de la fréquence et difficile à annuler. Les méthodes de découplage comprennent les structures de bandes électromagnétiques (EBG) placées entre les éléments, les structures de sol défectueuses (DGS), les lignes de neutralisation et l'utilisation de surfaces à haute impédance. Une autre approche consiste à utiliser des topologies de tableaux avec des éléments entrelacés (découpage par compensation) ou à concevoir des éléments à faible couplage, comme les fentes à fond de cavité.

Consistance des modèles de rayonnement

Les variations du centre de phase, de la largeur de faisceau et du rapport front-arrière de l'élément posent problème. Les solutions comprennent l'utilisation de géométries symétriques des éléments (par exemple, Vivaldi équilibré), l'ajout de directeurs parasites ou de réflecteurs d'angle, et l'utilisation de lentilles diélectriques ou de structures à l'appui de cavités. Pour les larges réseaux de balayage, la dégradation des motifs due à l'accouplement mutuel des éléments est traitée par une optimisation minutieuse de l'impédance et l'utilisation d'éléments à large faisceau tels que des antennes dipolaires magnéto-électriques (ME) qui présentent des motifs stables sur la fréquence et le balayage.

Matériaux et fabrication

Les substrats RF à faible perte comme Rogers 4003/4350, les composites PTFE et le cristallin liquide (LCP) sont courants pour les tableaux de niveau de carte. Pour mmWave, l'utilisation de LTC (céramique à basse température co-chauffée) ou de silicium à haute résistance avec des vias de silice traversante augmente. L'impression 3D permet des géométries complexes (lentilles à indice de gradient, structures de cavités) qui sont traditionnellement difficiles à usiner.

Conception de réseau d'alimentation

Les flux d'alimentation en série sont plus simples mais introduisent une dispersion de phase. Pour l'UBB, une approche hybride combinant un flux d'alimentation en entreprise avec des décalages de phase intégrés ou des lignes de relais temps réel (TTD) est courante. Les éléments TTD – comme les longueurs commutées de la ligne de transmission ou des lignes de retard photonique – éliminent les faisceaux quinquides sur une fréquence.Les circuits intégrés de formage de faisceau (BFIC) pour mmLes réseaux de Wave intègrent maintenant des amplificateurs à gain variable et des décalages de phase fonctionnant sur plusieurs gigahertz de bande passante, mais ils doivent encore faire face à des défis de précision et de linéarité de phase sur de larges plages.

Demandes en 5G et au-delà

Les réseaux d'antennes UBB ne sont pas une solution unique mais une gamme de technologies adaptées à différents scénarios 5G et à de futurs systèmes 6G.

5G Nouvelles bandes radio de sous--6 GHz et mm

Pour les sous-structures 5G-6 GHz (p. ex., n77, n78, n79 bandes de 3,3 à 5 GHz), les réseaux UWB sont utilisés dans les stations de base MIMO massives. Ces réseaux sont constitués d'éléments bipolarisés configurés en plan. Chaque élément doit couvrir toute la bande avec une grande isolation (>20 dB) entre les polarisations. Les modèles Vivaldi ou empilés de patchs avec des structures de résonance parasitaire atteignent la bande de largeur de bande requise. Le réseau d'alimentation de ces réseaux est complexe, souvent à l'aide de cartes de circuits imprimés multicouches avec baluns et diviseurs de puissance intégrés. Pour mmWave 5G (n257, n258, n260, n261 bandes de 24,25 à 40 GHz), les réseaux sont plus petits en raison de leur longueur d'onde, mais le rapport de bande de bande est encore important (p. ex., 24 à 29 GHz pour n258).

Radar et détection à haute résolution

Pour la coexistence 5G–radar, les réseaux UBB peuvent servir à la fois aux fonctions de communication et de détection (communication conjointe et radar, JC&S). Dans les réseaux radar à parois, les réseaux UWB à basse fréquence (0,5–4 GHz) avec des conceptions antipodal Vivaldi équilibrées pénètrent les murs et détectent les objets en mouvement. La grande bande passante instantanée (500 MHz ou plus) permet une résolution centimètre.

Précision de la position intérieure

Les systèmes temps d'arrivée (ToA) et temps de différence d'arrivée (TDoA) se basent sur des tableaux UWB pour une précision d'estimation des délais. Avec des bandes passantes supérieures à 500 MHz, les systèmes peuvent réaliser des erreurs de localisation en dessous de 10 cm. Les tableaux UWB avec plusieurs éléments peuvent également mesurer l'angle d'arrivée (AoA) en utilisant l'interférométrie de phase, améliorant ainsi la précision.

Réseaux de capteurs sans fil et IoT

Les tableaux UBB sont attrayants pour les appareils IoT à faible puissance et à haut débit de données, car ils peuvent fonctionner en mode éclatement avec des cycles de travail faibles. La courte durée des impulsions UBB (sous-nanoseconde) réduit la consommation d'énergie et permet un accès multiple au temps.

Étude de cas : Array à large bande et phase pour la station de base 5G

Chaque élément est un dispositif empilé, couplé à l'ouverture, doté d'un flux de balun intégré. La pile de substrat est constituée d'une couche radiatrice supérieure, d'un espaceur en mousse, d'une fente de couplage sur un plan de sol et d'une couche de flux avec des lignes de microstrip. La largeur de bande de l'élément isolé est d'environ 12 % . Pour couvrir la bande passante complète de 900 MHz, des éléments parasites ou des flux de sonde L sont ajoutés. Le tableau utilise une structure EBG entre les colonnes pour réduire les couplages mutuels. Le réseau d'alimentation utilise les diviseurs de puissance Wilkinson 1:2 avec transformateurs d'impédance à pas pour maintenir la bande passante. Les résultats mesurés montrent VSWR < 1,5 à travers la bande, obtenir une planéité inférieure à 1,5 dB et une stabilité de la configuration à ±5° pour des angles de balayage jusqu'à 60°.

Orientations futures

La trajectoire du développement du réseau d'antennes UWB indique une plus grande intégration, intelligence et agilité de fréquence.

Reconfiguration et agilisation des tableaux

Les futurs réseaux comprendront des composants électroniques ajustables (varacteurs, diodes de broches, MEMS RF) pour changer la bande de fonctionnement ou la forme du faisceau.Les réseaux reconfigurables en fréquence permettent une ouverture unique pour couvrir plusieurs bandes 5G, p.ex., à la fois sous-6 GHz et mmWave. L'agilité de polarisation (interrupteur entre verticale, horizontale ou circulaire) est également souhaitée pour la diversité de polarisation.

Arrays améliorés par la métasurface

Les métasurfaces – structures planes minces avec cellules sous-ondes de longueur d'onde – peuvent être placées devant des réseaux UWB ou intégrées avec eux pour améliorer la portée de direction du faisceau, réduire les couplages mutuels ou réaliser une mise au point semblable à une lentille. Les métasurfaces Huygens offrent une grande efficacité de transmission et peuvent adapter le profil de phase pour scanner sans lentille volumineuse.

Conception optimisée et enflammage

Des réseaux d'adversaires (GAN) ont été utilisés pour créer des profils de fentes Vivaldi. Du côté de la formation des faisceaux, les réseaux neuronaux profonds peuvent remplacer les dispositifs de protection traditionnels pour la suppression adaptative des faisceaux et de l'interférence, en particulier dans les scénarios de largeur de bande instantanée où la direction analogique est limitée. Ces méthodes d'IA permettent aux tableaux de se calibrer, de corriger les couplages mutuels et de s'adapter aux environnements changeants.

Techniques de fabrication avancées

La fabrication additive (3D) devient viable pour la production de réseaux UBB avec des géométries complexes telles que des structures en treillis, ondulées ou en gradient-index. L'impression jet d'encre sur substrats flexibles permet des réseaux conformaux pour les drones, les wearables et les applications automobiles.

Intégration avec 6G: Arrays Térahertz

Les réseaux UB pour THz seront basés sur des antennes sur puce (AoC) ou des antennes dans le paquet (AiP). Les antennes sur puce sont limitées en gain en raison des pertes de silicium, de sorte que des réseaux à base de lentilles ou de superstrat sont en cours de développement. Les antennes à base de plasma et les structures à base de graphine peuvent permettre des réseaux THz reconfigurables. Les défis dans les réseaux d'alimentation, les décalages de phase et la dissipation de chaleur sont immenses, mais les premiers prototypes utilisant des réseaux de patchs microstrip sur des substrats de benzocyclobutène (BCB) ou de quartz ont montré des largeurs de bande supérieures à 40%.

Conclusion

Leur conception exige un équilibre précis entre la géométrie des éléments, la sélection des matériaux, la topologie et les techniques de découplage pour obtenir des performances cohérentes en bande large. À mesure que les applications s'étendent des communications à haute vitesse à la détection à haute résolution et au positionnement précis, la prochaine génération de tableaux deviendra reconfigurable, améliorée par la métasurface et co-conçue avec le contrôle basé sur l'IA. Les progrès continus dans la fabrication – en particulier l'impression 3D, le dépôt de jet d'encre et l'intégration basée sur le silicium – amèneront ces tableaux dans les appareils quotidiens, permettant la connectivité sans faille et à haut débit de données qui définit la prochaine ère des télécommunications.

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