Bases de la technologie des ondes millimétriques

Qu'est-ce que la technologie des ondes millimétriques et comment se caractérise-t-elle par rapport aux autres technologies à basse fréquence ?

Cet article fournit une introduction aux ondes millimétriques (mmWaves), y compris leurs fréquences, leurs caractéristiques de propagation et leurs avantages et inconvénients pour les applications courantes.

Qu'est-ce qu'une onde millimétrique ?

Comme son nom l'indique, les ondes millimétriques sont des ondes électromagnétiques dont la longueur d'onde (λ) est d'environ 1 mm (1 à 10 mm, pour être plus précis). Conversion de cette longueur d'onde en fréquence en utilisant l'équation f =c /λ, où c est la vitesse de la lumière (3 x 10 ⁸ m/s), donne une gamme de fréquences de 30 à 300 GHz. La bande des ondes millimétriques est désignée par l'Union internationale des télécommunications (UIT) comme la bande « extrêmement haute fréquence » (EHF). Le terme « onde millimétrique » est également souvent abrégé en « mmWave ».

La figure 1 comprend des exemples d'applications qui utilisent le spectre mmWave et montre également l'emplacement du spectre mmWave par rapport à d'autres bandes de fréquences électromagnétiques.

Figure 1. Aperçu du spectre d'ondes millimétriques. Image reproduite avec l'aimable autorisation d'Analog Devices

Maintenant que nous avons réglé les définitions de base, parlons de la façon dont les signaux à ondes millimétriques se propagent.

Propagation des ondes millimétriques

La propagation du signal d'onde millimétrique est caractérisée par :

• Perte de chemin d'espace libre élevée
• Affaiblissement atmosphérique important
• Réflexions diffuses
• Profondeur de pénétration limitée

Les sous-sections suivantes examineront plus en détail chacune de ces quatre caractéristiques de propagation.

Perte du chemin de l'espace libre

Une limitation de la communication radiofréquence (RF) à ondes millimétriques est l'affaiblissement sur le trajet en espace libre (FSPL) pour la communication en visibilité directe entre deux antennes. Le FSPL est inversement proportionnel au carré de la longueur d'onde et est donné par l'équation suivante :

$$FSPL =\left( \frac{4πd}{λ} \right) ^2$$

où :

• d est la distance entre les deux antennes en m
• λ est la longueur d'onde en m.

Comme on peut le voir à partir de cette équation, une diminution de 10X de la longueur d'onde entraîne une augmentation de 100X de la perte de trajet en espace libre. Ainsi, l'atténuation aux longueurs d'onde millimétriques est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à l'atténuation des fréquences de communication plus traditionnelles comme la radio FM ou le Wi-Fi.

Dans les calculs de communication RF, cette équation de perte est souvent convertie pour fournir un résultat en dB, avec la fréquence mesurée en GHz et la distance mesurée en km. Après cette conversion, l'équation devient :

$$FSPL (dB) =20 * log_{10}(d) + 20 * log_{10}(f) + 92.45$$

Un calculateur gratuit pour évaluer la perte de chemin d'espace libre est disponible ici.

Atténuation atmosphérique

Un autre inconvénient de la transmission par ondes millimétriques est l'atténuation atmosphérique. Dans cette gamme de longueurs d'onde, il y a une atténuation supplémentaire causée par la présence de gaz atmosphériques - principalement des molécules d'oxygène (O2) et de vapeur d'eau (H2O).

Comme on peut le voir sur la figure 2, l'atténuation atmosphérique peut être très sévère dans certaines bandes.

Figure 2. Atténuation atmosphérique par fréquence et élévation. Image reproduite avec l'aimable autorisation de 5G Americas

Par exemple le pic d'oxygène à 5 mm (60 GHz). La pluie augmente l'atténuation sur tout le spectre.

Réflexion diffuse

Les longueurs d'onde plus longues reposent souvent sur une puissance réfléchie directe (spéculaire) pour aider à la transmission autour des obstacles (pensez à la réflexion semblable à un miroir). Cependant, de nombreuses surfaces apparaissent « rugueuses » à des ondes millimétriques, ce qui entraîne des réflexions diffuses qui envoient l’énergie dans de nombreuses directions différentes. Ceci peut être vu dans la figure 3.

Figure 3. Réflexion diffuse et spéculaire. Image reproduite avec l'aimable autorisation d'Hermary

Ainsi, moins d'énergie réfléchie est susceptible d'atteindre une antenne de réception. Les transmissions d'ondes millimétriques sont donc très sensibles à l'ombrage par des obstacles et sont généralement limitées à la transmission en ligne de mire.

Pénétration limitée

En raison de leurs longueurs d'onde plus courtes, les ondes millimétriques ne pénètrent pas profondément dans ou à travers la plupart des matériaux. Par exemple, une étude des matériaux de construction courants a révélé que l'atténuation variait d'environ 1 à 6 dB/cm et que les pertes de pénétration à travers un mur de briques à 70 GHz peuvent être cinq fois plus élevées qu'à 1 GHz. À l'extérieur, le feuillage bloquera également la plupart des ondulations millimétriques. Par conséquent, la plupart des communications par ondes millimétriques sont limitées au fonctionnement en visibilité directe.

Avantages des fréquences mmWave

Pour de nombreuses applications, la perte de trajet en espace libre, l'atténuation atmosphérique, la réflexion diffuse et la pénétration limitée des signaux à ondes millimétriques sont préjudiciables. Cependant, il s'avère que ces caractéristiques peuvent également être exploitées comme bénéfices dans certaines applications. Les avantages des ondes millimétriques incluent :

• Larges bandes passantes
• Débits de données élevés
• Faible latence
• Petites antennes
• Portée limitée
• Réflexion limitée
• Pénétration limitée
• Résolution accrue

Chacun de ces avantages et la manière dont ils sont exploités dans certaines applications seront expliqués dans les sous-sections suivantes.

Larges bandes passantes et débits de données élevés

Pour les applications de communication, de larges bandes passantes signifient des débits de données de pointe plus élevés. Cela peut signifier la possibilité soit de gérer plus de canaux de communication simultanés pour un débit de données donné, soit d'envoyer plus de données en une seule communication. Les spectres de fréquences inférieures sont fortement utilisés et, par conséquent, ne fournissent pas ces larges bandes passantes souhaitables.

Par exemple, la spécification 5G New Radio (NR) du 3GPP alloue une bande passante de canal maximale de seulement 100 MHz en dessous de 6 GHz, mais jusqu'à 400 MHz dans les bandes au-dessus de 24 GHz. Alors que ces spécifications 5G continuent d'évoluer, certaines parties font pression pour des allocations de bande passante encore plus larges dans le spectre mmWave.

C'est en raison de ces larges bandes passantes et de ces débits de données élevés que les ondes millimétriques ont longtemps été utilisées dans les communications par satellite à 27,5 GHz et 31 GHz. Les progrès de la technologie des circuits haute fréquence, notamment le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), et les coûts de fabrication inférieurs associés permettent aux communications par ondes millimétriques d'être appliquées aux applications grand public terrestres du marché des masques, comme la 5G NR.

Faible latence

La latence dans les réseaux de communication peut avoir plusieurs significations. En ce qui concerne la communication unidirectionnelle, la latence est le temps entre la source envoyant un paquet de données et la destination recevant le même paquet de données. Les fréquences plus élevées des ondes millimétriques signifient que plus de données peuvent être transmises dans un laps de temps plus court. Par conséquent, pour une taille de paquet de données fixe, un système haute fréquence aura une latence plus faible qu'un système basse fréquence.

Une faible latence est importante pour de nombreuses applications sensibles au facteur temps, notamment l'automatisation industrielle, la réalité augmentée ou virtuelle sans fil et les systèmes de conduite automatisés. La large bande passante des ondes millimétriques permet des intervalles de temps de transmission plus courts et une latence d'interface radio plus faible pour faciliter l'introduction et la prise en charge d'applications sensibles à la faible latence.

Petites antennes

L'un des avantages les plus importants des ondes millimétriques réside dans les antennes plus petites et dans la possibilité d'utiliser un grand nombre de ces éléments d'antenne plus petits dans des réseaux pour permettre la formation de faisceaux. Par exemple, les radars automobiles passent de 24 à 77 GHz. La longueur d'onde est plus de trois fois plus petite, de sorte que la zone du réseau d'antennes peut être plus de neuf fois plus petite, comme illustré à la figure 4.

Figure 4. Tailles relatives des réseaux d'antennes pour 24 GHz et 77 GHz. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Texas Instruments

De grands réseaux de très petits éléments d'antenne seront également utilisés dans les systèmes de communication à ondes millimétriques comme la 5G. La formation de faisceaux peut concentrer la puissance rayonnée vers les utilisateurs individuels pour des signaux de meilleure qualité et une communication à plus longue portée. Avec la formation de faisceau adaptative, les faisceaux peuvent même être modifiés dynamiquement en fonction du nombre d'utilisateurs et de leur localisation par rapport à l'antenne d'émission.

Portée, réflexion et pénétration limitées

La portée limitée, les réflexions diffuses et les profondeurs de pénétration limitées peuvent en fait être un avantage pour les télécommunications. Ces caractéristiques sont exploitées pour permettre à de nombreuses petites cellules d'être placées très près les unes des autres sans interférence. Cela permet une réutilisation spatiale du spectre de fréquences et, par conséquent, permet de prendre en charge davantage de consommateurs de bande passante élevée dans une zone.

Résolution augmentée

Dans les applications radar, la fréquence plus élevée et la bande passante accrue des signaux à ondes millimétriques permettent des mesures de distance plus précises, des mesures de vitesse plus précises et la capacité de résoudre entre deux objets rapprochés.

Applications de la technologie des ondes millimétriques

Radar

Pendant de nombreuses années, les applications des radars aérospatiaux ont été la principale application de la technologie des ondes millimétriques. Les larges bandes passantes sont idéales pour déterminer la distance à un objet, pour résoudre entre deux objets distants qui sont proches l'un de l'autre et mesurer la vitesse relative à la cible.

Par exemple, dans sa forme la plus basique en supposant que deux objets se rapprochent ou s'éloignent l'un de l'autre, le décalage de fréquence Doppler (Δf) est donné par l'équation :

$$Δf =\frac{(2 * V_{rel})}{λ}$$

où

• Vrel est la vitesse relative (m/s)
• λ est la longueur d'onde (m)

Étant donné que le décalage de fréquence est plus important avec des longueurs d'onde plus courtes (comme les ondes millimétriques), il est plus facile de mesurer le décalage de fréquence résultant. La possibilité d'utiliser des antennes multi-éléments plus petites et la formation de faisceau adaptative rendent également les ondes millimétriques idéales pour les applications radar.

Pour les mêmes raisons que le radar à ondes millimétriques est souhaitable pour les applications aérospatiales, il est largement adopté pour les applications de véhicules automatisés, notamment le freinage d'urgence, le régulateur de vitesse adaptatif (ACC) et la détection des angles morts (comme illustré à la figure 5).

Figure 5. Applications du radar à ondes millimétriques pour les véhicules autonomes. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Rohde &Schwarz

La capacité de mesurer rapidement et avec précision la distance et la vitesse relative est clairement importante pour le fonctionnement d'un véhicule autonome.

Télécommunications

Les systèmes satellitaires utilisent depuis longtemps des ondes millimétriques pour leurs communications en raison des larges bandes passantes, de la faible latence, des petites antennes et de la formation de faisceaux multi-antennes. Ces mêmes caractéristiques conduisent de nombreux réseaux de télécommunications terrestres à utiliser des ondes millimétriques.

Par exemple, en raison de l'augmentation de la bande passante, les ondes millimétriques peuvent prendre en charge la transmission sans fil de vidéo ultra haute définition (UHD). De plus, les antennes plus petites prennent en charge l'intégration dans des appareils tels que les smartphones, les décodeurs numériques, les stations de jeux, etc. Les normes émergentes de l'industrie qui emploieront des ondes millimétriques incluent les débits de données 5G et IEEE 802.11ad WiGig pour les Gb/s.

En particulier dans les environnements intérieurs et urbains, la réutilisation spatiale et la formation adaptative de faisceaux d'ondes millimétriques permettront de fournir des communications à large bande passante à un grand nombre d'utilisateurs, comme le montre la figure 6.

Figure 6. Beamforming adaptatif pour prendre en charge les utilisateurs fixes et mobiles. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Fujitsu via Phys.org

Les systèmes massifs MIMO (Multiple Input Multiple Output) permettront la diversité spatiale, le multiplexage spatial et la formation de faisceaux pour offrir de meilleures fonctionnalités à un plus grand nombre d'utilisateurs tout en utilisant moins d'énergie.

Scanners de sécurité

Les ondes millimétriques sont également utilisées pour les scanners de sécurité du corps humain. Des milliers d'antennes d'émission et de réception fonctionnent ensemble pour numériser avec une grande précision, comme illustré à la figure 7.

Figure 7. Système de scanner corporel à ondes millimétriques. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Rohde &Schwarz

Ces systèmes émettent dans une gamme de fréquences comprise entre 70 GHz et 80 GHz et n'émettent qu'environ 1 mW de puissance. Les ondes millimétriques traversent la plupart des vêtements et se reflètent sur la peau et d'autres surfaces vers les antennes de réception. Le signal reçu peut être utilisé pour créer une image détaillée de l'individu et révéler des articles cachés sous les vêtements. La faible puissance et la profondeur de pénétration limitée des ondes millimétriques améliorent la sécurité.

Autres applications des ondes millimétriques

Ce ne sont là que quelques-unes des nombreuses applications de la technologie à ondes millimétriques. D'autres applications qui ont été proposées ou mises en œuvre incluent, mais ne sont certainement pas limitées à :

• Radioastronomie
• Évaluation de l'humidité du sol
• Mesures de la couverture neigeuse
• Emplacement de l'iceberg
• Compléter la détection optique par mauvais temps
• Carte météorologique
• Mesurer la vitesse du vent
• Traitements médicaux

Résumé

Les ondes millimétriques sont utilisées depuis longtemps dans les applications radar et sont de plus en plus appliquées à de nouvelles applications, la plus importante étant les télécommunications à haut débit. Les longueurs d'onde courtes et les caractéristiques de propagation uniques offrent à la fois des défis et des opportunités aux ingénieurs de conception travaillant dans ces domaines.