Fondamentaux RF

Antennes et accessoires

Patron d’antenne

Il est important d’apprendre à lire les patrons d’antennes réalisés sur 360° en laboratoire par les fabricants, en intégrant bien le fait qu’aucunes conditions environnementales n’ont été prises en compte. Réaliser soit même les mesures nécessiterait de tourner autour de l’antenne avec un appareil de mesure RF et relever de nombreuses valeurs. Outre le fait que ce serait très long à faire, le résultat serait très dépendant des conditions extérieures qui influenceraient les mesures. Les fabricants proposent des diagrammes représentant les valeurs horizontales et verticales pour leurs antennes. Ces « Radiations Patterns » ou patrons d’antenne, élaborés en environnements contrôlés, se nomment « Azimuth Charts » et « Elevation Charts ». On les appelle également « Polar Charts » ou « Antenna Radiation Envelopes ».

Un « Azimut Chart », noté « H-plane », représente la vue du dessus du spectre de diffusion de l’antenne. Pour une antenne omnidirectionnelle, la diffusion est presque parfaitement circulaire. Un « Elevation Chart », noté « E-plane », représente la vue de côté du spectre de diffusion de l’antenne. Il n’existe aucun standard obligeant les fabricants à aligner les degrès marqués sur les graphiques avec l’orientation de l’antenne, c’est donc au lecteur de le comprendre et l’interpréter.

Le cercle extérieur du graphique représente généralement le signal le plus fort de l’antenne. Le graphique ne représente pas de distance ou un quelconque niveau de puissance ou de force. Il représente seulement les relations de puissances entre les différents points du graphique.

Exemple de patron d'antenne logarithmique

Exemple de patron d’antenne logarithmique

L’échelle du patron d’antenne peut être logarithmique ou linéaire. Les fabricants proposent, généralement, une échelle logarithmique plus facile à lire et plus avantageuse visuellement. Le fait que la couverture de l’antenne soit représentée en dB est la principale raison qui explique que les patrons d’antennes sont souvent mal interprétés. Une échelle logarithmique est une échelle variable basée sur des valeurs exponentielles. Nous savons qu’une réduction de 6 dB de la puissance divise par deux la distance parcourue par le signal. Une réduction de puissance de 10 dB, réduit d’approximativement 70% la distance parcourue par le signal. En lisant le graphique logarithmique, il faut garder à l’esprit que chaque réduction de 10 dB de la force du signal correspond à une réduction de 70% de la distance réellement parcourue par le signal sur une graphique linéaire.

Largeur de faisceau

En technologie RF, le terme « lobe » représente la forme générée par l’énergie RF émise par une antenne. Cette dernière peut projeter plusieurs lobes dont certains n’ont pas pour vocation d’être utilisables. Les lobes arrières et latéraux contiennent de l’énergie RF utilisable mais ne sont pas utilisés pour la couverture de la cellule visée. Le type d’antenne sélectionné (omnidirectionnelle, semi-directionnelle ou directionnelle) détermine les lobes utilisables. Le design de l’antenne détermine la façon dont les fréquences radio se propagent et le patron dessiné par les éléments de l’antenne. La largeur du faisceau appelée « beamwidth » est la mesure du lobe RF principal au point appelé « half-power » ou -3dB. Il se mesure dans les deux sens en degrés : horizontalement ou en azimut et verticalement ou en élévation. C’est la mesure du signal effectuée depuis le centre ou le point le plus fort jusqu’à chaque point, sur les axes horizontaux ou verticaux, où le signal décroît de moitié (-3 dB). Ces points sont appelés « Half-power Points ». La distance entre les deux points sur l’axe horizontal est mesurée en degrés, ce qui donne la mesure horizontale de la largeur du faisceau. La distance entre les deux points sur l’axe vertical, mesurée également en degrés, indique la mesure verticale de la largeur du faisceau.

Largeur de faisceau d'antenne

Largeur de faisceau d’antenne

Type d’antenne Largeur de faisceau horizontal Largeur de faisceau vertical
Omnidirectionnelle 360° 7° à 80°
Patch / Panel 30° à 180° 6° à 90°
Yagi 30° à 78° 14° à 64°
Sectorielle 60° à 180° 7° à 17°
Parabolique 4° à 25° 4° à 21°

Type d’antenne

Il existe trois catégories principales d’antennes :

  • Omnidirectionnelles, qui propagent le signal RF de la même façon qu’une lampe de table propage la lumière. Elles sont conçues pour offrir une couverture dans toutes les directions.
  • Semi-directionnelles, qui propagent le signal RF de la même façon qu’une lampe murale propage la lumière vers la pièce ou qu’un lampadaire propage la lumière vers la rue. Elles sont conçues pour fournir un signal directionnel vers une grande surface.
  • Directionnelles, qui propagent le signal RF de la même façon qu’un projecteur focalise la lumière sur un objet.

De la même façon qu’une antenne amplifie le signal qui est transmis, elle amplifie également le signal reçu. Les microphones à haut-gain fonctionnent de la même façon. L’antenne la plus proche du modèle théorique isotropique est l’antenne omnidirectionnelle.

Outre la largeur de faisceau et le gain, les antennes omnidirectionnelles, dont la plus classique est la « Rubber Duck Antenna », ont d’autres caractéristiques à prendre en considération :

  • La gamme de fréquences
  • Le Rapport d’Ondes Stationnaires ou « Voltage Standing Ware Ratio » (VSWR)
  • La polarisation
  • La longueur du câble de liaison
  • Les dimensions
  • Les exigences de montage

Les antennes omnidirectionnelles sont plus efficaces quand la longueur d’un élément est une fraction paire (\frac{1}{4}ou \frac{1}{2}) ou un multiple de la longueur d’onde (λ). Une antenne dipôle demi-onde en 2,4 GHz est composée de deux éléments d’un quart d’onde chacun (environ 2,5 cm) positionnés à l’opposé l’un de l’autre. Pour augmenter le gain d’une antenne omnidirectionnelle, plusieurs antennes dipôles sont empilées l’une sur l’autre pour former une « Collinear Antenna ».

Dipôle demi-onde

Dipôle demi-onde

Les antennes omnidirectionnelles peuvent être utilisées dans les configurations point-à-multipoint en les positionnant au centre de l’architecture.

Les antennes semi-directionnelles sont conçues pour diriger le signal dans une direction donnée. Elles sont utlisées pour les communications à courtes et moyennes distances, les antennes hautement directionnelles servant aux communications longues distances. Il est courant d’utiliser les antennes semi-directionnelles pour effectuer un pont entre deux bâtiments sur un campus ou éloignés d’une rue. Il existe plusieurs modèles classiques d’antennes semi-directionnelles :

  • « Patch »
  • « Panel »
  • « Yagi »

Les antennes « Patch / Panel » sont le plus souvent classifiés dans les « Planar Antennas ». Le mot « Patch » fait référence à la façon de construire les éléments rayonnants à l’intérieur de l’antenne. Malheureusement, il est devenu fréquent d’utiliser les mots « Patch » et « Panel » de façon interchangeable. En cas de doute, il est préférable d’utiliser le terme « Planar Antennas ». Bien que ces antennes peuvent être utilisées pour des communications extérieures en point-à-point sur une distance de 1,6 km (1 mile), ils est plus commun de les utiliser pour fournir une couverture directionnelle vers des clients en intérieur, comme dans un couloir pour l’alimenter, ainsi que les différentes pièces au bord. Avant l’arrivée du MIMO, les antennes « Patch / Panel » étaient utilisées pour réduire les effets néfastes du « Multipath » des radios 802.11a/b/g, ce qui n’est plus le cas aujourd’hui. Avec la technologie MIMO 802.11n et 802.11ac, les antennes « Patch / Panel » sont toujours utilisées mais pour les environnements haute densité, c’est à dire des petits espaces dans lesquels de nombreux clients Wi-Fi sont regroupés et dans lesquels on effectue une couverture par secteurs.

Les antennes « Yagi-Uda », appelées le plus souvent seulement « Yagi », sont typiquement utilisées pour les communications point-à-point sur des distances de 3,2 km (2 miles), bien que des antennes « Yagi » à haut gain peuvent être utilisées sur des distances plus grandes.

Les antennes semi-directionneles peuvent être installées en hauteur sur un mur et tournées vers la zone à couvrir. C’est impossible à faire avec une antenne omnidirectionnelle sans avoir le signal qui pointe vers le haut de l’autre côté.

Les antennes hautement directionnelles, ou simplement appelées directionnelles, ont généralement une forme parabolique avec un réflecteur en dur ou en grille. Elles sont utilisées pour les communications longue distance point-à-point entre deux bâtiments. Il en existe de deux types :

  • « Parabolic Dish », qui ressemble à une petite antenne satellite pour la TV numérique que l’on voit sur les toits des maisons.
  • « Grid », qui ressemble à une grille de barbecue avec les bords légèrement incurvés. L’espacement des éléments de la grille est déterminé par la longueur d’onde des fréquences pour lesquelles l’antenne a été conçue.

Du fait de leur utilisation sur de longues distances et de l’étroitesse de leur faisceau, elles sont sensibles au vent. Dans les environnements sujets au vent violent, les modèles « Grid » sont plus favorable du fait de leur faible portée au vent. Il est possible aussi de choisir une antenne avec un plus large faisceau, mais ce qui entraine obligatoirement un gain moindre. En cas d’utilisation d’un modèle « Parabolic Dish », il est recommandé de mettre en place une protection appelée « Radome », pour éviter certains effets du vent. Quel que soit le type d’antenne choisi, un montage adapté sur un mât sera la meilleure façon de se protéger du vent.

Les antennes sectorielles appelées « Sector » sont un type spécial d’antenne semi-directionnelle à haut gain qui fournissent une couverture en forme de part de tarte. Elles sont généralement placées au centre de la zone à couvrir dos à dos avec une autre antenne sectorielle. Chaque antenne s’occupe de sa propre zone à couvrir et lorsqu’on combine plusieurs antenne sectorielles pour couvrir 360°, on parle de « Sectorized Array ». Contrairement aux autres antennes semi-directionnelles, une antenne sectorielle ne génère que peu de signal RF derrière l’antenne (« Back Lobe »), et n’interfère donc pas avec les autres antennes sectorielles. Elles ont typiquement un gain d’au moins 10 dBi.

Utiliser plusieurs antennes sectorielles pour fournir une couverture omnidirectionnelle comporte plusieurs avantages :

  • Elles peuvent être montées en hauteur et tournées vers le bas en leur donnant l’orientation voulue.
  • Comme chaque antenne couvre un secteur différent, elles peuvent être montées sur des « Transceivers » différents pour transmettre et recevoir de façon indépendante.
  • Le gain est supérieur à une antenne omnidirectionnelle.

Historiquement, les antennes sectorielles étaient utilisées pour les communications téléphoniques cellulaires, mais avec l’expansion des stadiums et des sites extérieurs leurs utilisation s’est intensifiée.

Un « Antenna Arrays » est un groupe d’au moins deux antennes intégrées ensemble pour fournir la couverture. Elles fonctionnent ensemble pour réaliser ce qui s’appelle le « Beamforming », qui est une méthode pour concentrer l’énergie RF. Il existe trois type de « Beamforming » :

  • « Static Beamforming », réalisé en utilisant des antennes directionnelles pour fournir un diagramme de rayonnement fixe. Ce terme est utilisé occasionnellement pour faire référence à un « Indoor Sectorized Array ». Chaque secteur du « Beam » se voit affecter un canal non-recouvrant. Si on utilise 8 antennes pour couvrir 360°, en divisant 360 par 8, on constate que chaque antenne dit avoir un faisceau d’au moins 45° de large pour couvrir les 360°. Les antennes « Indoor Sectorized Array » sont disponibles avec jusqu’à 16 antennes unidirectionnelles qui fournissent une couverture haute densité de 360°.
  • « Dynamic Beamforming », avec une énergie focalisée dans une direction précise et avec une forme particulière pouvant changer. Il est possible de fournir la puissance et le signal optimal pour chaque station. Le « Dynamic Beamforming » utilise un « Adaptative Antenna Array » qui manœuvre le faisceau dans la direction du récepteur ciblé. Cette technologie est souvent appelée « Smart Antenna Technology » ou « Beamsteering ». Cette technologie n’est pas disponible côté client. Les trames de broadcast, comme les beacons, sont transmises en utilisant un patron omnidirectionnel de façon à communiquer avec toutes les stations dans toutes les directions.
  • « Transmit Beamforming » (TxBF), réalisé en transmettant plusieurs signaux, dont les phases ont été décalées, avec l’intention et en espérant qu’ils arrivent en phase à l’endroit où l’émetteur estime que le récepteur se situe. Le TxBF ne change pas le patron d’antenne et il n’existe pas de patron directionnel. « Transmit Beamforming » n’est pas vraiment une technologie d’antenne, c’est une technologie de traitement du signal sur l’équipement émetteur, qui duplique le signal transmis sur une ou plusieurs antennespour optimiser le signal combiné sur l’équipement récepteur. Mais contrôler soigneusement la phase du signal transmis depuis plusieurs antennes a pour effet d’accroitre le gain, en émulant une antenne directionnelle de de plus haut gain. L’amendement 802.11n définit deux types de « Transmit Beamforming » : « Implicit TxBF » et « Explicit TxBF ». « Implicit TxBF » utilise un processus implicite de sondage de canal pour optimiser les différences de phase entre les chaines de transmissions. « Explicit TxBF » nécessite un feedback des stations pour déterminer la quantité de décalage de phase requise pour chaque signal. L’amendement 802.11ac définit « Explicit TxBF », nécessitant l’utilisation de trames de mesure de canal et le support du « Beamforming » sur l’émetteur et le récepteur.

Ligne de vue optique

Les communications RF entre deux équipements sans fil 802.11 utilisent différents types de ligne de mire. Il y a deux types de « Line of Sight » (LOS) à prendre en compte lorsqu’on planifie, architecture et installe des réseaux sans fil :

  • « Visual line of sight », lorsque l’émetteur et le récepteur se voient l’un l’autre
  • « Direct Link RF line of sight », lorsqu’aucun obstacle n’existe entre l’émetteur et le récepteur

Pour les réseaux sans fil en extérieur, la « Direct Link RF line of sight » est une ligne sans obstacle entre l’émetteur est le récepteur. Cette ligne sera entourée d’un espace de transmissions RF appelée Zone de Fresnel et constitué d’une ellipsoïde concentrique entourant la « Direct RF line of sight » entre les deux points. Théoriquement, il existe un nombre infini de zones de Fresnel autour de la « Line of Sight », sachant que seule la première zone a un effet significatif sur les communications. Si la première zone de Fresnel est encombrée à plus de 40%, les transmissions entre l’émetteur et le récepteur seront perturbées. Outre la réflexion et la dispersion qui peuvent se produire entre les deux antennes, le signal RF peut subir une diffraction ou courber en passant un obstacle dans la zone de Fresnel. Du fait de la faible puissance d’émission et réception, ainsi que de la faible distance entre l’émetteur et le récepteur, la notion de ligne de vue optique ne s’applique pas pour les déploiements de LAN sans fil en intérieur.

Zone de Fresnel

Zone de Fresnel

La formule générale pour calculer le rayon d’une zone de Fresnel en un point donné est la suivante :

En fonction de la longueur d’onde

r_{n}=\sqrt{\frac{n \times \lambda \times d1 \times d2}{d1+d2}}

En fonction de la fréquence

r_{n}=17,31 \times \sqrt{\frac{n \times d1 \times d2}{f \times (d1+d2)}}

La formule permettant de calculer le rayon de la première zone de Fresnel en son centre peut se déduire de la formule générale :

En fonction de la longueur d’onde

r=\sqrt{\frac{\lambda \times d1 \times d2}{D}}=\sqrt{\frac{\lambda \times (\frac{1}{2} \times D)^{2}}{D}}=\sqrt{\lambda \times (\frac{1}{2})^{2} \times D}=\frac{1}{2} \times \sqrt{\lambda \times D}

En fonction de la fréquence

r=\sqrt{\frac{\lambda \times d1 \times d2}{D}}=\sqrt{\frac{\frac{c}{f \times 10^{6}} \times d1 \times d2}{D}}=\sqrt{\frac{c}{10^{6}} \times \frac{d1 \times d2}{f \times D}}=\sqrt{\frac{c}{10^{6}}} \times \sqrt{\frac{d1 \times d2}{f \times D}}=17,31 \times \sqrt{\frac{d1 \times d2}{f \times D}}

Avec :

  • n, la zone de Fresnel (généralement 1 ou 2)
  • r, le rayon de la zone en mètres
  • d1 et d2[/latex], les distances de l’obstacle par rapport aux extrémités en mètres
  • D, la distance totale du lien en mètres
  • f, la fréquence en MHz (conversion ultérieure nécessaire car dans c=f \times \lambda ce sont des Hz)
  • \lambda, la longueur d’onde en mètres
  • c=2,99792458 \times 10^{8}\,m.s^{-1}

La largeur du faisceau n’a pas d’influence sur la taille de la zone de Fresnel. La taille de la zone est fonction de la fréquence et de la distance. Quel que soit le type d’antenne ou la largeur de faisceau utilisé, la taille de la zonne de Fresnel restera la même. La première zone de Fresnel est, techniquement, la surface autour de la source, là où les ondes sont en phase avec le signal source. La deuxième zone est la surface au dessus de la première zone, là où les ondes sont déphasées avec la source du signal. Toutes les zones impaires sont en phase avec le signal source et toutes les zones paires sont déphasées. Lorsqu’un signal RF de même fréquence est déphasé avec le signal initial, il y a dégradation voire annulation du signal primaire. Le phénomène de réflexion peut faire qu’un signal déphasé croise le signal primaire. Il est important de prendre en considération la deuxième zone de Fresnel lors de l’évaluation. Il faut également prendre en considération que la zone de Fresnel est en tri-dimension. La zone de Fresnel existe dans tutes les communications RF, mais c’est dans les cas des communications extérieures point-à-point qu’elle peut causer le plus de problème. Dans les environnements intérieurs, il y a tellement d’obstacles avec de la réflexion réfraction, diffraction et dispersion que la zone de Fresnel ne joue pas un rôle important dans la réussite ou l’échec de la liaison.

Courbure de la terre

Lors de la mise en place de communications RF point-à-point longue distance, il convient de prendre en compte la courbure da la terre appelée « Earth Bulge ». Du fait des différence géographiques, il est impossible de donner une distance exacte à partir de laquelle la courbure de la terre affecte la liaison. La recommandation est que si les antennes sont à plus de 11 km (7 miles) l’une de l’autre, il faut prendre en compte la courbure de la terre car à cette distance, elle entrave la zone de Fresnel.

La formule permettant de calculer l’effet de la courbure de la terre est la suivante :

H=\frac{1000 \times D^{2}}{8 \times E_{r}}=\frac{1000 \times D^{2}}{8 \times 8504}\simeq\frac{D^{2}}{68}

Avec :

  • H, la différence de hauteur liée à la courbure de la terre au milieu des deux antennes en mètres
  • D, la distance totale entre les deux antennes en kilomètres
  • E_{r}, le rayon effectif de la terre en kilomètres (généralement \frac{4}{3}du rayon réel pour tenir compte de la réfraction atmosphérique, c’est à dire \frac{4 \times 6378}{3}=8504\:km)

En prenant en considération tous les éléments abordés, la hauteur totale, au centre de la zone de Fresnel, devant rester libre est calculée à l’aide la formule approximative suivante :

17,31 \times \sqrt{\frac{d1 \times d2}{f \times D}} avec D en mètres ⇒ 17,31 \times \sqrt{\frac{\frac{D^{2}}{4}}{f \times D} \times 1000}=547,53 \times \sqrt{\frac{D}{4 \times f}}avec D en kilomètres

H\simeq OB\text{+}\frac{1000 \times D^{2}}{8 \times 8504}+0,6 \times 547,53 \times \sqrt{\frac{D}{4 \times f}}\simeq OB+\frac{D^{2}}{68}+328,52 \times \sqrt{\frac{D}{4 \times f}}

Avec :

  • OB, la hauteur de l’obstacle éventuel en mètres
  • D, la distance totale entre les deux antennes en kilomètres
  • 60% de la zone de Fresnel pris en compte
  • f, la fréquence en MHz

Polarisation d’antenne

La polarisation d’une antenne (et non la polarité) est l’orientation physique de l’élément qui émet l’énergie RF et l’orientation du champ électrique. La majorité des antennes omnidirectionnelles utilisent la polarisation verticale. La polarisation verticale est préférée pour une couverture à longue distance car l’effet du sol atténue fortement le signal dans le cas horizontal à partir d’une certaine distance. Les antennes d’émission et de réception devraient avoir la même polarisation pour obtenir les meilleures performances, mais comme la polarisation change avec la diffraction et les réflexions, cette règle n’est pas toujours applicable en intérieur.

La majorité des bornes utilisent des antennes omnidirectionnelles à faible gain et elles devraient être polarisées verticalement une fois installées au plafond. Les fabricants de PCs portables positionnent les antennes sur les côtés de l’écran et lorsque celui-ci est en position relevée les antennes intérieures sont sont aussi polarisées verticalement.

Pour transférer la puissance maximale entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice, les deux antennes doivent avoir la même orientation spatiale et le même sens de polarisation (imaginer l’oscillation d’une corde entre deux personnes). Lorsque les antennes ne sont pas alignées ou n’ont pas la même polarisation, il y aura une réduction du transfert de puissance entre elles. Une polarisation adéquate est fondamentale pour l’alignement d’un pont point-à-point ou point-à-multipoint. Si le meilleur « Received Signal Level » (RSL), en alignant les antennes, est de 15 dB à 20 dB inférieur au RSL estimé, il y a de forte chance d’être en présence d’une polarisation croisée. Si cette différence n’existe que d’un côté et que l’autre possède un signal plus important, on est susceptible d’être aligné sur un lobe latéral.

Lorsque les antennes émettrice et réceptrice sont toutes deux à polarisation linéaire, une déviation de l’alignement physique de l’antenne se traduira par une perte par déséquilibre de polarisation, qui peut être déterminée par la formule suivante :

Perte_{(dB)}=20 \times log(cos\,\theta)

Avec :

  • \theta, la différence dans l’angle de polarisation entre les deux antennes
  • Cos, sur l’abscisse des axes du cercle trigonométrique

Pour 15° de déséquilibre de polarisation, la perte est d’environ 0,3 dB, pour 30° la perte est de 1,25 dB, pour 45° la perte est de 3 dB et pour 90° la perte tend vers l’infinie, ce que nous allons démontrer.

Cos(90\text{\textdegree)=0}

log_{b}(c)=ab^{a}=c

Si log_{b}(0)=a alors il faudrait b^{a}=0

Or, il n’existe aucune façon d’élever un nombre b\text{\ensuremath{\neq}0} à une puissance pour obtenir zéro

Le log_{10}(c) n’existe pas pour c\text{\ensuremath{\le}0}car 10^{a}\text{\ensuremath{>}0}

Diversité d’antenne

Le phénomène appelé « Multipath » est engendré par les réflexions dans un environnement intérieur (phénomène assimilable à l’écho dans un dialogue entre deux personnes). La diversité d’antenne, appelée aussi diversité spatiale, est un moyen de réduire les effets du « Multipath ». Cette technologie appelée « antenna diversity » utilise plusieurs antennes équivalentes (même design, même fréquence, même gain, même orientation …), séparées d’une distance équivalente à au moins une longueur d’onde, pour déterminer celle qui reçoit et émet le meilleur signal.

Dans la mesure où la longueur d’onde des réseaux sans fil 802.11 est inférieure 13 cm (5 pouces), les antennes peuvent être placées très proches tout en permettant l’efficacité de la diversité d’antennes. Quand la borne sent un signal RF, elle compare le signal reçu sur les deux antennes et utilise celle qui a le plus fort signal. Cette sélection est faite trame par trame.

La majorité des radios utilisée avant le 802.11n utilise la « Switched Diversity ». Lors de la réception des transmissions, « Switched Diversity » écoute avec plusieurs antennes. Plusieurs copies du même signal arrivent aux antennes du récepteur avec différentes amplitudes. Le signal avec la meilleure amplitude est choisi et les autres signaux sont ignorés. La borne va utiliser une antenne tant que le signal est au dessus d’un seuil prédéfini. Lorsque le signal descend en dessous du seuil, la borne utilise le signal reçu sur l’autre antenne.

Cette méthode consistant à chercher le meilleur signal en réception est connue sous le nom de « Receive Diversity ». « Switched Diversity » est aussi utilisé en transmission, mais une seule antenne est utilisée. Lémetteur transmet le signal par l’antenne sur laquelle la meilleure amplitude de signal a été reçue en dernier. Cette méthode de transmission est appelée « Transmit Diversity ».

Lorsqu’une borne possède deux ports pour la diversité d’antennes, celles-ci doivent avoir le même gain, être installées au même endroit et avoir la même orientation. Il ne faut pas essayer éloigner les antennes dans des directions opposées à l’aide d’un câble pour chercher à améliorer la couverture. Il faut garder à l’esprit que lorsqu’on utilise la diversité, le « Transceiver » va commuter entre les antennes qui doivent donc fournir la même couverture. L’espacement entre les antennes doit être un facteur de la longueur d’onde (\frac{1}{4}, \frac{1}{2}, 1, 2). Dans la mesure où les antennes sont aussi proches, il n’est pas rare de douter de l’efficacité de la diversité d’antennes. La quantité de signal RF reçu est souvent inférieur à 0,00000001 milliwats. A ce niveau de signal, la plus petite différence entre deux signaux que chaque antenne reçoit peut être significative. Il faut également se rappeler qu’un point d’accès communique souvent avec plusieurs clients positionnés à divers endroits. Ces clients ne sont pas toujours immobiles, ce qui affecte le chemin du signal RF.

Le point d’accès doit prendre en compte la transmission de données de façon différente de la réception. Quand le point d’accès doit renvoyer de la donnée au client, il n’a aucun moyen de déterminer par quelle antenne le client recevra le mieux. Un point d’accès peut transmettre la donnée en utilisant l’antenne qui a été le plus récemment utilisée pour recevoir la donnée, mais tous les points d’accès ne possèdent pas la capacité de « Transmit Diversity ».

Il y a plusieurs sortes de diversité d’antennes, mais du fait de la nature half-duplex du support RF, quand la diversité d’antennes est utilisée une seule antenne est opérationnelle à la fois et il est impossible de recevoir des données sur une antenne pendant que l’autre sert à l’émission.

MIMO

« Multiple-Input, Multiple-Output » (MIMO) est une autre forme, plus sophistiquée, de diversité d’antennes qui tire avantage du « Multipath ». Le MIMO peut être décrit comme une architecture radio sans fil qui peut recevoir ou émettre en utilisant pluseurs antennes en même temps. Des traitements du signal complexes permettent aux systèmes MIMO d’améliorer leur fiablité, leur portée et leur débit. Ces techniques envoient les données plusieurs signaux RF simultanés et le récepteur reconstruit les données à partir de ces signaux.

Les radios 802.11n et 802.11ac utilisent la technologie MIMO. Lors de l’installation d’un équipement MIMO, un des objectifs majeurs est de s’assurer que chacun des signaux provenant des différentes chaines de radio voyagent avec des polarisations différentes. Il est possible de le faire en alignant ou orientant les antennes de façon à ce que les chemins utilisés par chacun des signaux soit au moins légèrement différent. Ça va aider à introduire un délai entre les différents signaux MIMO, ce qui va améliorer la capacité du récepteur MIMO à traiter les différents signaux.

La majorité des nouveaux points d’accès MIMO d’intérieur pour les entreprises possèdent des antennes intégrées dans le châssis. Dans le cas où elles ne le sont pas, il est probable que le point d’accès MIMO possède trois antennes directement attachées dessus. Dans certains cas, les antennes sont détachables, ce qui permet de choisir desn antennes omnidirectionnelles de gain supérieur. Certains fabricants exigent que les antennes soient alignées parallèlement les unes aux autres. Si ce n’est pas le cas, l’une des antennes devrait être alignées verticalement et les deux autres devraient être inclinées entre 15° et 30° par rapport à la verticale. Aucune antenne ne devrait être parallèle aux autres, afin d’aider à la création du « Multipath ». Il est important que toutes les antennes soient identiques.

La majorité des points d’accès MIMO d’extérieur possèdent deux antennes par radio, mais trois unités de chaine radio deviennent de plus ne plus répendues. Le bénéfice du « Multipath » ne peut pas être constaté si l’environnement n’offre pas de surfaces de réflexion. Par conséquent, il est important d’essayer de changer le chemin de rayonnement des deux ou trois antennes, tout en maintenant la même portée et couverture de toutes les antennes. L’atteinte de ces objectifs en extérieur fait appel à plus de connaissance et de technologie que le simple fait de laisser le concepteur ou l’installateur choisir l’antenne et son placement.

Pour distinguer les signaux entre eux, les antennes directionnelles MIMO incorporent deux ou trois éléments dans une antenne physique. Avec une antenne constituée deux éléments, un des éléments est monté avec une polarisation verticale et l’autre avec une polarisation horizontale. L’antenne possède deux connecteurs pour la raccorder au point d’accès. Si le point d’accès est un modèle à plusieurs radios, il a deux connecteurs d’antenne par radio. Avec une antenne à trois éléments, deux élements sont montés à 90° l’un de l’autre, et le troisème est monté à 45° des deux autres éléments. L’antenne possède trois connecteurs pour se raccorder au point d’accès. Avec les antennes omnidirectionnelles pour l’extérieur, les antennes sont achetées en package, mais elles ont des longueurs et largeurs différentes du fait de leur différence de polarisation. Un type particulier d’antenne pour les points d’accès à trois chaines de radio, appelé « Down-tilt Antenna », est composé de trois éléments omnidirectionnels montés dans une corps d’antenne. Ce type d’antenne est typiquement monté honrzontalement et en hauteur au dessus de la zone à couvrir. La couverture honrizontale est omnidirectionnelle et la couverture verticale ressemble à celle d’une antenne omnidirectionnelle typique, mais avec une couverture plus importante en dessous qu’au dessus.

Connexion et installation

Pour raccorder l’antenne au point d’accès, le câble utilisé possède des caractéristiques à prendre en compte :

  • Le type de câble
  • La longueur du câble, qui va engendrer une perte
  • Le coût du câble
  • L’impédance mesurée en ohms (50 ohms pour les câbles utilisés dans le domaine du LAN sans fil) et le VSWR lié à une différence d’impédance dans les composants

Le « Voltage Standing Wave Ratio » (VSWR) ou Rapport d’Onde Stationnaire (ROS), est la mesure du changement des impédances d’un signal AC. Lorsqu’il y a désadaptation, la réflexion d’une partie de l’onde incidente et l’addition avec l’onde incidente conduit à l’apparition d’une onde stationnaire dans la ligne qui relie l’antenne à la source (ou au récepteur). L’impédance est une valeur en ohms, du nom du physicien allemand Georg Ohm, de la résistance électrique d’un signal AC. Quand l’émetteur génère le signal radio AC, ce dernier voyage le long du câble jusqu’à l’antenne. Une partie de cette énergie incidente est réfléchie en retour vers l’émetteur à cause de la désadaptation d’impédance.

Les désadaptations peuvent se produire n’importe où le long du parcours du signal, mais sont généralement dues à des changements soudains d’impédance entre l’émetteur radio et le câble et entre le câble et l’antenne. La quantité d’énergie réfléchie dépend du niveau de désadaptation entre l’émetteur, le câble et l’antenne. Le rapport entre la tension de l’onde réfléchie et la tension de l’onde incidente, à un même point du câble, est appelé « Voltage Reflexion Coefficient » ou coefficient de réflexion désigné généralement par la lettre grecque rho (ρ).

Dans un système idéal sans désadaptation (l’impédance est la même partout), toute lénergie incidente est délivrée à l’antenne (excepté pour les pertes liées à la résistance du câble) et il n’y a pas d’énergie réfléchie. Le câble est dit être apparié, le coefficient de réflexion vaut exactement zéro et la perte de retour, en dB, est infinie. La perte de retour est essentiellement la différence, en dB, entre la puissance envoyée à l’antenne et la puissance réfléchie (une valeur élevée est meilleure qu’une valeur faible). La combinaison des ondes incidentes et réfléchies effectuant des allers-retours sur le câble crée un « Standing Wave Pattern » ou modèle d’onde stationnaire le long de la ligne. L’onde stationnaire est périodique (elle se répète) et montre plusieurs pics et creux de tension, de courant et de puissance.

VSWR est une relation numérique entre la mesure de la tension maximum sur la ligne (générée par l’émetteur) et la mesure de la tension minimum sur la ligne (reçue par l’antenne). VSWR est donc un rapport de désadaptation d’impédance, avec 1:1 (pas d’impédance) étant idéal mais inatteignable et des valeurs typiques comprise entre 1,1:1 et 1,5:1. Les spécifications militaires sont de 1,1:1.

VWSR=ROS=\frac{V_{max}}{V_{min}}

Quand l’impédance de l’émetteur, du câble et de l’antenne sont appariés (il n’y a pas d’onde stationnaire), la tension est constante le long du câble. Ce câble apparié est appelé « Flat Line » car il n’y a ni pic ni creux de tension sur la longueur du câble. Dans ca cas, VSWR vaut 1:1. Alors que le degré de désadaptation augmente, VWSR augmente avec une réduction correspondante dans la puissance délivrée à l’antenne.

VSWR Puissance rayonnée Puissance perdue Perte de retour Perte de puissance en dB
1:1 100% 0% Infinie 0 dB
1,5:1 96% 4% 14 dB Presque 0 dB
2:1 89% 11% 9,5 dB < 1 dB
6:1 50% 50% 2,9 dB 3 dB

Si VSWR esr important, cela signifie qu’une grande quantité de tension est réfléchie vers l’émetteur. Cela implique une baisse de puissance ou d’amplitude (perte) du signal qui est supposé être transmis. Cette perte d’amplitude est appelée « Return Loss » ou perte de retour et peut être mesurée en dB. De plus, la puissance qui est réfléchie revient vers l’émetteur. Si ce dernier n’est pas protégé contre un excès de puissance réfléchie ou des pics de tension importants, il peut surchauffer et tomber en panne. VSWR peut engendrer une diminution de la force du signal, une force du signal irrégulière ou même un échec de transmission.

La première chose à faire pour réduire VSWR est de s’assurer que l’impédance de tous les équipements sans fil est la même (généralement 50 ohms). En attachant les différents composants, il faut s’assurer que tous les connecteurs sont installés et sertis correctement, et qu’ils sont parfaitement serrés.

En connectant une antenne à un émetteur, le principal objectif est de s’assurer qu’un maximum du signal généré par l’émetteur est reçu par l’antenne pour être transmis. Pour atteindre cet objectif, il est important de porter une attention particulière aux câbles et aux connecteurs utilisés pour relier l’émetteur à l’antenne. Si des composants de qualité inférieure sont utilisés ou s’ils ne sont pas installés correctement, le point d’accès fonctionne probablement en dessous de ses capacités optimales.

Certains domaines de régulation imposent l’utilisation de connecteurs propriétaires pour éviter l’usage accidentel d’une antenne qui dépasserait la quantité maximum d’énergie autorisée.

Pour installer correctement une antenne, il convient de prendre en compte les éléments suivants :

  • Le placement
  • Le montage
  • L’usage adapté et l’environnement
  • L’orientation et l’alignement
  • La sécurité
  • La maintenance

Le bon placement dépend du type d’antenne. Au delà de quelques kilomètres (7 miles), la courbure de la terre a un impact sur les liaisons sans fil point-à-point ou point-à-multipoint. Il convient de rehausser l’antenne pour compenser le renflement de la terre.

En terme de positionnement, il convient de placer une antenne omnidirectionnelle au centre de la zone à couvrir en tenant compte du patron d’antenne et de la polarisation. Les antennes omnidirectionnelles de faible gain offre une couverture verticale plus large, alors que celles de plus haut gain offrent une couverture plus importante mais plus plate. Ces dernières ne doivent pas être positionnées trop haut par rapport au sol, pour fournir un signal suffisant aux clients situés sur le sol.

Les antennes semi-directionnelles sont typiquement montées à plat sur le mur avec le connecteur vers le haut. Les antennes directionnelles, telles que les paraboles, sont presque toujours utilisées en extérieur pour des applications longues distances nécessitant un alignement précis. Leur performance n’est pas affectée par la pluie ou la neige, mais elles craignent le vent qui peut les faire bouger et la foudre qui peut les frapper de manière directe ou indirecte. Un parafoudre ou « lightning arrestor », mis en série entre l’antenne et le point d’accès, peut protéger d’une frappe indirecte en renvoyant les courants induits à la terre, mais ne peut peut rien contre une frappe directe de la foudre.

Pour mettre une antenne à la terre, il convient d’utiliser une tige enfoncée d’au moins 20 cm (8′) dans le sol. Cette tige peut être constituée de divers aciers y compris inoxydable, galvanisé et cuivré, et avoir différentes longueurs et diamètres. En fonction de la règlementation locale, la résistance mesurée doit être comprise entre 5 et 25 ohms.

Le « Ingress Protection Rating » est parfois appelé « International Protection Rating », et il est abrégé en « IP Code ». Le système « IP Rating » est publié par « International Electrotechnical Commission » (IEC). Le code IP est représenté par les deux lettres « IP » suivies de deux chiffres ou d’un chiffre et une ou deux lettres, comme par exemple « IP66 ». Le premier chiffre indique le degré de protection, que fournit l’équipement, contre l’intrusion d’objets solides et le deuxième chiffre indique le degré de protection contre l’intrusion d’eau. Si aucune protection n’est fournit pour l’un des composants alors le chiffre est remplacé par la lettre « X ». Le chiffre pour les solides peut prendre une valeur de 0 (aucune protection) à 6 (étanche à la poussière). Le chiffre pour les liquides peut prendre une valeur de 0 (aucune protection) à 8 (immersion supérieure à un mètre) en passant par 1 (gouttes d’eau), 4 (éclaboussures) ou 6 (jets d’eau).

Le « NEMA Enclosure Rating » est publié par « United Sates National Electric Manufacturers Association » (NEMA). Le principe est le même que pour « IP Rating », mais en rajoutant d’autres critères comme la résistance à la corrosion, le vieillissement du joint d’étanchéité et les méthodes de fabrication. Les types de boîtiers NEMA sont définis dans le « NEMA Standard Publication 250-2008 » intitulé « Enclosures for Electrical Equipement (1000 volts maximum) ». Ce document définit le degré de protection contre des solides tels que la saleté, la poussière, la peluche et les fibres, ainsi que les liquides comme l’eau, l’huile et le liquide de refroidissement. La codification NEMA pour les boîtiers comporte un nombre ou un nombre suivi d’une lettre, comme « Type 2 » ou « Type 12K ».

Il existe deux directives ATEX :

  • ATEX 95, se rapportant aux équipement et systèmes de protection pouvant être utilisés dans des atmosphères potentiellement explosibles.
  • ATEX 137, se rapportant au lieu de travail et destiné à protéger et améliorer la sécurité et la santé des travailleurs dans des atmosphères explosibles.

Les organisations dans l’Union Européenne doivent suivre ces directives pour protéger les employés. Les directives ATEX héritent leur nom du titre en français de la directive 94/9/EC « Appareils destinés à être utilisés en ATmosphères EXplosibles ».

Les employeurs doivent classer les espaces, où des atmosphères explosibles existent, en différentes zones par rapport aux environnements de vapeur/gaz/brouillard ou aux environnements de poussière. Ces règles s’appliquent à tous les équipements mécaniques ou électriques et sont classées pour les indutries minières et de surface.

Le « National Electrical Code » (NEC) est un standard pour l’installation, en toute sécurité, du câblage et des équipements électriques. Le document lui même n’est pas un document applicable juridiquement, mais il a été adopté par de nombreux états aux US ce qui en fait un document faisant foi. Une bonne partie du document NEC traite des endroits dangereux, en les classant par type, condition et nature. Les types sont définis comme suit :

  • Classe I : gaz ou vapeur
  • Classe II : poussière
  • Classe III : fibres et particules en suspension

Le type est sous-divisé par les conditions des lieux dangereux :

  • Division 1 : conditions normales (par exemple, une journée typique à un qui de chargement)
  • Division 2 : conditions anormales (par exemple, le même qui de chargement mais un conteneur a une fuite)

Une classification finale définit un groupe pour les substances dangereuses, en se basant sur la nature de la substance. Cette valeur est représentée par une lettre majuscule allant de A à G.

Lors de la sélection du câble, il faut garder en tête les points importants suivants :

  • Sélectionner le bon câble avec la bonne impédance pour éviter une désadaptation.
  • S’assurer que le câble supporte la fréquence qui va être utilisée. Les constructeurs indiquent la fréquence la plus basse et la plus haute pouvant être utilisées. Par exemple, LMR est une marque de câble coaxial très connu pour les transmissions RF.
  • Prendre en compte la perte introduite par le câble. Les vendeurs fournissent les informations pour prendre en compte la perte et choisir le câble le plus adapté. Plus le câble est bon, plus il est épais, plus il est difficile de travailler avec et plus il est cher.
  • Tenir compte du fait que l’atténuation augmente avec la fréquence.
  • Se procurer les câbles prédécoupés et préinstallés, de façon à ce que les connecteurs soient correctement installés et n’induisent pas plus de pertes supplémentaires qu’ils ne doivent.
Atténuations du câble coaxial

Atténuations du câble coaxial (source L-com)

De nombreux types de connecteurs sont utilisés pour relier les antennes. Une des raisons est que le document FCC « Report & Order 04-165 » impose que les amplificateurs aient soit des connecteurs uniques, soit des systèmes d’identifications électroniques, pour empêcher l’utilisation d’antennes non-certifiées. Cette exigence a été créée pour empêcher les gens de connecter des antennes de gain supérieur, volontairement ou pas, à un « Transceiver »., ce qui pourrait entrainer un dépassement de l’EIRP authorisé par le FCC ou tout autre organisme de régulation.

En réponse à cette règle, les fabricants vendent des câbles d’adaptation en tire-bouchon ou « Pigtail ». Ces câbles sont, généralement, des petits segments avec différents connecteurs à chaque extrémité. Ils fonctionnent comme des adaptateurs permettant de changer de connecteur et d’utiliser un type différent d’antenne. Les connecteurs RF doivent être à la bonne impédance pour correspondre à celle de l’équipement RF et doivent aussi supporter les bonnes fréquences. Ils engendrent une perte au lien RF et des connecteurs de mauvaise qualité peuvent créer des problèmes de connexion ou de VSWR.

Les « Splitters », connus aussi sous les noms de « Signal Splitters », « RF Splitters », « Power Splitters » ou « Power Dividers », prennent un signal RF et le divisent en au moins deux signaux. Par exemple, pour connecter des antennes sectorielles de 120° à un « Transceiver » pour couvrir 360°, on peut soit mettre un « Transceiver » par antenne, soit utiliser un « Splitter » trois voies connecté à un seul « Transceiver ». Dans ce dernier cas, non seulement le signal est dégradé car il est divisé en trois (on parle de « Through Loss »), mais chaque connecteur va rajouter sa propre perte « on parle de « Insertion Loss »). Un autre exemple d’utilisation peut se rencontrer pour mesurer la puissance transmise entre le « Transceiver » et l’antenne.

Un amplificateur RF prend le signal qui est généré par le « Transceiver », l’augmente, et l’envoie à l’antenne. Alors qu’une antenne apporte un gain en concentrant le signal, un amplificateur apporte un accroissement du gain en ajoutant de l’énergie électrique au signal, ce qu’on appelle un gain actif. Un amplificateur peut être unidirectionnel ou bidirectionnel. L’accroissement de puissance peut être obtenu en utilisant une des deux méthodes suivantes :

  • « Fixed-Gain », la sortie du « Transceiver » est augmentée de la valeur de l’amplificateur.
  • « Fixed-Output », génère un signal équivalent à la sortie de l’amplificateur quelle que soit la puissance générée par le « Transceiver ».

Dans la mesure où les organismes de régulation imposent un maximum de 1 watt au niveau de l’IR (« Intentional Radiator »), le principal objectif de l’amplificateur est de compenser la perte liée au câble plutôt que d’augmenter le signal et la portée. Par conséquent, lors de l’installation d’un amplicateur, il faut le mettre le plus proche possible de l’antenne afin de compenser la perte liée au câble. Il est important de noter qu’un amplificateur augmente aussi le bruit, ce qui peut faire élever son niveau de 10 dB ou plus, et qu’il doit être certifié pour pouvoir être utilisé.

Dans certaines situations, il peut être nécessaire de diminuer la quantité de signal diffusée par l’antenne, en ajoutant un atténuateur de type « Fixed-Loss » ou « Variable-Loss ». Ce sont de petits équipements avec des connecteurs, pour le câble, de chaque côté. Ils absorbent l’énergie et diminuent le signal qui les traverse. Les atténuateurs de type « Variable-Loss » sont souvent utilisés pendant les études de couverture en extérieur, afin de simuler les pertes liées à la qualité des câbles et à leurs longueurs. Ils peuvent également être utilisés pour tester une liaison en augmentant progressivement l’atténuation jusqu’à la rupture, afin de calculer le niveau de « Fade Margin » disponible.

L’objectif d’un parafoudre est de rediriger les courants transitoires, générés par des frappes de foudre proches ou par l’électricité statique ambiante, dans le sol loin des équipements électroniques. On parle de frappes proches, car un parafoudre ne peut pas protéger contre une frappe directe. Le parafoudre ou « Lightning Arrestor » peut protéger typiquement contre une surtension de 5.000 ampères à 50 volts. L’IEEE spécifie que le parafoudre devrait être capable de rediriger le courant transitoire en moins de 8 microsecondes. La majorité savent le faire en moins de 2 microsecondes. Le parafoudre est installé entre le « Transceiver » et l’antenne. Tout équipement installé entre le parafoudre et l’antenne n’est pas protégé, ce qui explique qu’on le positionne le plus proche possible de l’antenne. Une fois qu’il a servi, il doit être révisé ou remplacé.

Parafoudre et mise à la terre

Parafoudre et mise à la terre

Il est possible d’utiliser la fibre optique entre le pont sans fil et le reste du réseau pour apporter une protection complémentaire contre la foudre.

Lorsque la foudre frappe un objet, elle cherche un passage offrant le moins de résistance, c’est à dire avec l’impédance la plus basse. Une mise à la terre offre un chemin vers le sol avec une impédance moindre, afin de diriger l’éclair vers le sol plutôt que vers les équipements. Une façon de créer ce qu’on appelle un « Common Ground », consiste à enfoncer une tige de cuivre dans le sol et à connecter les équipements à cette tige à l’aide de fils ou de sangles appelées « Grouding Wires ». La tige devrait faire au moins 182 centimètres (6 pieds) et être complètement enfoncée dans le sol en laissant assez de tige pour fixer les mise à la terre dessus.

Méthode de mise à la terre d'une tour d'antennes

Méthode de mise à la terre d’une tour d’antennes

Pour vendre ses produits dans un pays ou une région, un fabricant doit prouver qu’ils sont conformes aux règles du domaine de régulation concerné, tel que le FCC. Le FCC créé des documents qui spécifient les règles que le fabricant doit suivre. Ce dernier envoie son équipement à tester à l’organisme en charge des tests, et si l’équipement passe les tests avec succès, il se voit attribuer un ID et un « Grant of Certification ». La plupart des gens ne sont pas familiers avec ce processus et ne se rendent pas compte que c’est un système complet qui est envoyé, avec un « Intentional Radiator » (AP), les câbles, les connecteurs et l’antenne ou les antennes utilisées avec le point d’accès. Il n’est donc pas possible de substituer un élément par un autre une fois la certification attribuée. Le FCC peut autoriser le changement d’une antenne si la nouvelle possède un gain équivalent ou inférieur à celle qui avait reçu la certification et si la nouvelle antenne est du même type (même caractéristiques in-band et out-of-band). Si le premier critère est relativement facile à atteindre, le deuxième critère demande une vérification approfondie, voire une nouvelle certification. C’est pour cette raison que la majorité des fabricants ne supportent pas les antennes qui ne sont pas sur leur liste approuvée.