Conception de petits réseaux d'antennes reconfigurables ou "Small Cells" pour le standard 5G

Design of small reconfigurable array antennas for 5G

• Auteur / Autrice : Assane Ngom
• Direction : Jean-Marc Ribero, Aboubaker Chedikh Beye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 09/05/2019
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE) en cotutelle avec Université Cheikh Anta Diop (Dakar)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique, antennes et télécommunications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Laboratoire d'Electronique, Antennes et Télécommunications
• Jury : Président / Présidente : Xavier Begaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Begaud, Thierry Monédière, Benjamin Fuchs, Aliou Diallo, Kharouna Talla
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Monédière, Benjamin Fuchs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes millimétriques

Systèmes de communication sans fil

Antennes-relais de téléphonie mobile

Antennes (électronique)

Mots clés libres

Petites cellules

Reconfigurables

Standard 5G

Fréquences millimétriques

Double polarisation

Smal cells

Reconfigurable antennas

Mmwave

Dual polarized

Résumé

Les communications mobiles grand public, le téléchargement de vidéos et l’utilisation d’applications mobiles représentent l’essentiel de l’utilisation actuelle des ressources radio dans les réseaux 4G ; mais pour que le spectre des usages et la diversité des utilisateurs soient grandement élargis, de nombreux efforts de recherche et de nombreuses propositions commencent à émerger pour la mise en place d’un nouveau standard appelé 5G, qui vise des secteurs très variés et qui sont des piliers importants d’une société : l’énergie, la santé, les médias, l’industrie ou le transport.Pour répondre à ces défis, ce nouveau standard devra regrouper plusieurs technologies parmi lesquelles, la réalisation d’un réseau Ultra-Dense (UDN) pour obtenir une couverture plus dense, plus robuste aux obstacles et augmenter la capacité du réseau. En conséquence, le réseau cellulaire ultra-dense est en train de devenir l'une des principales caractéristiques des réseaux cellulaires 5G. L'idée de base est d'obtenir des nœuds d'accès aussi proches que possible des utilisateurs finaux. L’obtention de cette solution prometteuse est réalisée par le déploiement dense de petites cellules appelées « Small Cells » dans des hotspots où un trafic immense est généré, en utilisant les ondes millimétriques pour étendre la bande passante de transmission.Ces « smalls cells » doivent optimiser au mieux la réception du signal selon l’emplacement de l’utilisateur par rapport à l’antenne pour concentrer l’émission du signal dans les directions utiles, par l’utilisation de réseaux d’antennes reconfigurables en diagramme et à fort gain. Cette méthode évite ainsi d’utiliser toute la puissance disponible pour émettre « à l’aveugle » en espérant tomber sur le terminal.Les travaux menés dans le cadre de cette thèse s'inscrivent dans ce contexte. L’objectif donc consiste à concevoir et réaliser un petit réseau d’antennes ou « Small Cells » travaillant dans les bandes de fréquences millimétriques doté d’une capacité à changer la direction du faisceau selon les besoins des utilisateurs. Une technique de reconfiguration de diagramme de rayonnement avec changement de polarisation appliquée sur un réseau d’antennes planaires a été développée. Ce manuscrit se divise comme suit : après un rappel des objectifs de la 5G ainsi que ses exigences dans le chapitre 1, nous avons introduit dans le chapitre 2, les architectures et la théorie des différents réseaux d’antennes, ainsi que les différentes techniques de dépointage de faisceaux. Le troisième chapitre est consacré à la conception d’un élément rayonnant en forme de croix à double polarisation et diagramme de rayonnement reconfigurable par utilisation d’éléments parasites commutables. Cet élément rayonnant a ensuite été utilisé dans le chapitre 4, pour concevoir des sous-réseaux et réseaux d’antennes multi-ports, reconfigurables, à fort gain.

Consumer mobile communications, video downloads and the use of mobile applications represent most of today's use of radio resources in 4G networks; but in order to broaden the spectrum of uses and the diversity of users, many research efforts and numerous proposals are beginning to emerge for the implementation of a new standard called 5G, which targets a wide range of sectors and is important pillars of a society: energy, health, media, industry or transportation. To fulfil these challenges, this new standard will have to combine several technologies, including the creation of an Ultra-Dense Network (UDN) to obtain a dense coverage, more robust to obstacles and increase the capacity of the network. This promising solution is obtained by the deployment of dense small cells in hotspots where huge traffic is generated, and by using millimeter waves to extend the transmission bandwidth.These smalls cells must optimize the received signal according to the location of the user, by using a high gain beam reconfigurable antennas array. This method avoids using all the available power to issue "blind" hoping to fall on the terminal.The Objectives of this thesis is therefore to design a small antennas array or "Small Cells" working in mmWave bands with an ability to change the direction of the beam according to the needs of users. A dual polarized beam reconfigurable technique applied on a planar antenna array has been developed.This manuscript is divided as follows: after a reminder of the objectives of the 5G and its requirements in chapter 1, we have introduced in chapter 2, the architectures and theory of the different antenna arrays, as well as the different techniques of beam steer. The third chapter is dedicated to the design of a cross patch antenna with a dual polarization and reconfigurable beam by using switchable parasitic elements. This radiating element was then used in Chapter 4 to design a high-gain reconfigurable, multiport sub-arrays and antenna arrays.