Qu'est-ce que la formation de faisceau ?

La formation de faisceau est le processus qui consiste à former et à diriger un faisceau électromagnétique (sous forme de signal sans fil) afin de créer une diversité spatiale pour une antenne. La formation de faisceau consiste à créer et à contrôler un faisceau dans un système de récepteur à antennes, et à diriger l'énergie vers les récepteurs dans une direction spécifique tout en empêchant l'énergie d'aller ailleurs.

Sans formation de faisceau, les signaux électromagnétiques, tels que les ondes de radiofréquence, se propagent dans toutes les directions à partir de l'émetteur sans aucun contrôle. Cela entraîne une précision moindre et un faible rapport signal/bruit au niveau du récepteur prévu.

La formation de faisceau est étroitement liée à l'orientation de faisceau. Bien que ces deux termes soient souvent utilisés de manière interchangeable, la formation de faisceau crée un faisceau en forme de crayon et le pousse dans une direction donnée, tandis que l'orientation de faisceau met continuellement à jour les caractéristiques du faisceau pour suivre un dispositif récepteur et répondre aux changements environnementaux.

La formation de faisceau contrôle la phase et l'amplitude de plusieurs sources de signal dans un réseau d'antennes pour créer un seul faisceau concentré ou plusieurs faisceaux simultanés.

La phase et l'amplitude sont appliquées au niveau de chaque flux de signal, que ce soit au niveau de l'antenne individuelle ou au point où plusieurs antennes se combinent pour former des sous-réseaux.

Pour orienter les faisceaux, les signaux émis par les sources de signaux indépendantes (antennes) sont réglés de manière à superposer leur énergie rayonnée dans la direction souhaitée, ce qui crée également des valeurs nulles dans d'autres directions. Les valeurs nulles se développent dans les directions où très peu d'énergie est rayonnée et représentent les directions dans lesquelles les réseaux récepteurs ont une sensibilité proche de zéro.

Il existe trois éléments essentiels pour créer et diriger un faisceau :

• Traitement du signal spatial : analyse les caractéristiques spatiales et les phases relatives d'un signal initial.
• Adaptation du signal : ajuste dynamiquement le gain et la phase de chaque antenne en fonction de l'analyse initiale.
• Combinaison des signaux : les signaux de chaque élément d'antenne sont combinés pour créer un faisceau concentré dirigé vers le récepteur. Les interférences dans d'autres directions peuvent également être neutralisées à ce stade.

Puisque les émetteurs et les récepteurs fonctionnent ensemble, les récepteurs jouent également un rôle dans la manière et le dt le moment où les signaux sont reçus. Les récepteurs peuvent être utilisés pour contrôler le diagramme de sensibilité du système d'antenne en retardant les signaux individuels qui arrivent à chaque antenne du réseau. Le contrôle du délai du signal équivaut au contrôle de sa phase. Car la phase dans le domaine fréquentiel est analogue au délai dans le domaine temporel. Le contrôle du délai/de la phase permet de modifier les fronts d'ondes dans la direction souhaitée et d'optimiser leur combinaison.

En parallèle, la manipulation de l'amplitude du signal reçu permet de contrôler chaque élément d'antenne (pour qu'il soit fort ou faible) afin d'obtenir le signal maximal possible dans les directions souhaitées, en supprimant les lobes secondaires du diagramme de rayonnement du réseau pour réduire l'énergie fournie dans les directions non souhaitées. Cela améliore la puissance et la qualité du signal dans la direction souhaitée, tout en réduisant le signal dans les directions non pertinentes. Cela réduit également le risque qu'une matrice interfère avec d'autres systèmes RF en mode transmission et réduit sa sensibilité à d'autres sources d'interférences potentielles provenant de directions différentes de celles de la source de signal prévue. Cet aspect est très important dans les grandes configurations de réseaux à commande de phase comportant un grand nombre d'antennes, où plusieurs faisceaux sont utilisés pour suivre et gérer plusieurs utilisateurs sans fil et systèmes de communication.

De nombreuses techniques de formation de faisceau sont utilisées pour générer, contrôler et diriger un faisceau d'énergie focalisé.

Formation de faisceau à bande étroite

La formation de faisceau à bande étroite est l'une des technologies les plus simples. Elle utilise une fréquence unique très spécifique qui fournit un faisceau bien défini, supposé être le même pour tous les éléments d'antenne à la fréquence centrale. Elle est couramment utilisée dans la technologie de sonar et les systèmes de communication à bande étroite.

Formation de faisceau à large bande

La formation de faisceau à large bande est plus difficile à contrôler, car la fréquence couvre une bande beaucoup plus large dans laquelle une seule valeur de déphasage suffirait à brouiller le faisceau du signal. Le signal entrant dans l'antenne doit être ajusté en fonction de sa bande passante en modifiant la phase ou la fréquence. En l'absence d'ajustements, cela peut avoir un impact sur l'espacement effectif des éléments dans un réseau à commande de phase et entraîner un décalage du faisceau (phénomène pouvant provoquer un changement involontaire de direction du faisceau). Si la bande passante ne peut pas être contrôlée du côté émetteur, un signal large bande est envoyé (tout en visant la fréquence centrale) et le traitement du signal en aval du côté récepteur doit compenser les larges bandes de fréquences. La formation de faisceau à large bande est couramment utilisée dans les systèmes de radar et les systèmes de communication à formation de faisceau MU-MIMO.

Formation de faisceau à forçage à zéro

La formation de faisceau à forçage à zéro s'articule autour de l'orientation nulle, qui annule les autres signaux afin de réduire les interférences. L'emplacement nul est appliqué comme une contrainte aux conditions de formation de faisceau utilisées pour développer les phases de canal de formation de faisceau appropriées, ce qui produit une annulation du signal composite pour la direction nulle lorsque les signaux sont combinés. La valeur nulle est combinée avec toutes les conditions de phase appliquées à chaque élément du réseau. Elle est couramment utilisée pour empêcher le brouillage des signaux de positionnement global, en particulier dans les secteurs militaire et de la défense.

Formation de faisceau adaptative

La formation de faisceau adaptative améliore la transmission d'un signal en ajustant dynamiquement le diagramme directionnel du réseau à commande de phase. Elle minimise le bruit et optimise le signal d'intérêt. Cette technologie de formation de faisceau est largement utilisée dans les réseaux 5G. Dans les communications qui utilisent la formation de faisceau adaptative, un signal standard est convenu et des signaux pilotes sont envoyés à intervalles réguliers (par exemple toutes les millisecondes) sur une fréquence à large bande, tandis que les récepteurs estiment à quoi ressemble le canal sur toute la bande.

Formation de faisceau hybride

La formation de faisceau hybride combine la formation de faisceau analogique et la formation de faisceau numérique. La formation de faisceau hybride utilise à la fois des composants analogiques et numériques dans le cadre d'un vaste réseau. Elle est également largement utilisée dans les systèmes de communication 5G et à ondes millimétriques (mmWave), où des émetteurs analogiques envoient un signal, mais où des récepteurs numériques traitent le signal reçu comme un signal numérique. La formation de faisceau hybride peut réduire la complexité du traitement numérique en appliquant la formation de faisceau analogique à des sous-réseaux qui « surveillent » des emplacements constants mais différents et combinent les signaux en un nombre plus restreint de récepteurs numériques. De cette manière, le système est équipé d'un récepteur numérique se concentrant sur une zone spatiale spécifique. Les méthodes hybrides de formation de faisceaux permettent d'atteindre des débits de données élevés à un coût et une complexité inférieurs à ceux des systèmes de formation de faisceaux entièrement numériques

Même si la formation de faisceau est essentielle dans de nombreuses applications de communication et de capteur, elle présente, comme toute technologie, des avantages et des inconvénients.

Avantages de la formation de faisceau

• Assurer un contrôle spatial élevé pour diriger l'énergie d'un faisceau sans gaspiller d'énergie (c'est-à-dire l'énergie qui serait gaspillée dans des endroits sans récepteur).
• Permettre le contrôle multifaisceau dans les réseaux à commande de phase.
• Former et diriger avec précision les signaux sans fil (ondes radiofréquences) afin de permettre une connectivité à haute vitesse et à faible latence pour différents systèmes de communication.
• Fournir aux émetteurs un moyen de concentrer les faisceaux vers une large gamme de dispositifs, y compris l'Internet des objets (IoT), les dispositifs mobiles et les véhicules.
• Offrir des capacités de détection de bas niveau et d'antiblocage pour les applications militaires.
• Permettre la réutilisation du spectre de fréquence pour former plusieurs faisceaux.
• Assurer la résilience face aux défaillances individuelles des émetteurs ou des récepteurs avec les systèmes multisources.

Limites de la formation de faisceau

• Les systèmes complexes nécessitent de nombreux composants matériels, notamment des amplificateurs, des déphaseurs, des convertisseurs et des unités de traitement de signal numérique.
• Les technologies de formation de faisceau (en particulier les technologies de formation de faisceau numérique) ne sont pas bon marché, mais leur coût diminue à mesure que les coûts matériels diminuent.
• Les contraintes d'adaptabilité peuvent être problématiques dans des environnements en constante évolution.
• Les algorithmes avancés de formation de faisceau utilisés dans la formation de faisceau numérique peuvent être coûteux en termes de calcul.
• Des phénomènes de décalage et d'auto-annulation du faisceau peuvent se produire pendant le fonctionnement.

Avec les différents types de faisceaux utilisés aujourd'hui, de la lumière aux radiofréquences et autres ondes électromagnétiques, la formation de faisceau peut être utilisée dans de nombreux secteurs et applications.

Applications médicales

La formation de faisceau utilisée dans l'imagerie par résonance magnétique (IRM) permet d'obtenir des images plus nettes grâce à la réduction du bruit. Lors d'une IRM, les transducteurs individuels sont placés en direction radiale autour du patient. La technologie de formation de faisceau combine les signaux des sondes pour générer une image haute résolution. En connaissant le positionnement de tous les transducteurs, le système peut interagir de manière sélective avec l'environnement d'imagerie afin de déterminer les éléments à inclure dans l'image finale.

Outre l'imagerie médicale, la formation de faisceaux est utilisée pour traiter les patients atteints d'un cancer. De nombreux traitements contre le cancer utilisent des faisceaux de rayonnement (radiothérapie) créés par des réseaux à commande de phase. Ces thérapies peuvent utiliser plusieurs sources de rayonnement dans ces matrices et faire converger les faisceaux de particules vers la tumeur. Ainsi, le faisceau étroit et ciblé peut détruire les cellules cancéreuses tout en épargnant les cellules saines avoisinantes.

5G et NextG

La formation de faisceau est utilisée dans les communications 5G pour concentrer les ondes de radiofréquence entre une station de base et un appareil mobile. Dans les environnements urbains, il existe un risque d'écho et de bruit en raison des signaux qui rebondissent au-dessus du sol et des bâtiments, ce qui affecte les signaux que le récepteur doit interpréter. La formation de faisceau permet de concentrer ces faisceaux sur le récepteur souhaité, quel que soit l'environnement, plutôt que de diffuser les signaux dans toutes les directions. Cela permet également de réutiliser le spectre de fréquence pour plusieurs utilisateurs et garantit des débits de données élevés ainsi qu'une bonne couverture réseau pour les utilisateurs.

Les antennes réseau à commande de phase sont intégrées dans bon nombre de plateformes et de boîtiers, et peuvent être utilisées pour optimiser l'énergie dirigée dans une direction spécifique. L'animation ci-dessus montre une simulation par le logiciel HFSS de la direction dynamique du faisceau et illustre également les courants électriques induits par l'antenne sur d'autres parties du boîtier hôte.

Formation de faisceau optique

La formation de faisceau optique est utilisée dans les multiplexeurs, où les faisceaux sont formés dans des directions spécifiques pour permettre le transfert de signal et commuter dans plusieurs directions à des débits de données élevés. Elle est également utilisée dans les communications optiques satellite-terre, où le contrôle très précis des faisceaux optiques est transmis d'un satellite à faible orbite terrestre à une station de base au sol.

Les antennes à commande de phase sont de plus en plus utilisées dans les communications par satellite et les applications radar pour réduire le besoin d'orientation mécanique, tout en offrant une plus grande agilité au système d'antenne. Cette animation d'une simulation par le logiciel HFSS montre le diagramme de rayonnement qui inclut l'interaction électromagnétique avec le véhicule satellite hôte.

Radar

Dans les applications radar, la formation de faisceau se concentre sur une cible en mouvement et s'adapte/s'ajuste à toute modification à l'aide des différentes antennes d'un réseau d'antennes. Le radar peut souvent prédire où se trouvera la cible, de sorte que le faisceau peut être modifié en différents points afin de maintenir l'énergie sur la cible. Des algorithmes et des boucles de rétroaction suivent la cible elle-même à l'aide de données historiques sur sa trajectoire probable.

L'orientation de faisceau d'antenne peut être utilisée dans des applications pratiques pour mettre à jour la direction du gain du signal afin de compenser le mouvement du véhicule hôte. Cette animation par le logiciel HFSS illustre le couplage électromagnétique avec la formation de faisceau de l'antenne, ainsi que la capacité de compensation du mouvement du véhicule.

Dans un monde idéal, les ingénieurs réaliseraient le moins de tests physiques possible avant la réalisation du produit final. La simulation peut contribuer à réduire les cycles de développement itératifs physiques nécessaires en simulant virtuellement les antennes et l'environnement opérationnel dans lequel elles seront utilisées. Il est alors possible de concevoir les antennes avec une telle précision qu'il suffit de construire un seul prototype, ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent sur les prototypes défectueux. Cette approche répond également à un plus grand nombre de questions sur la conception que ne le permettent les tests physiques seuls.

La simulation peut aider dans plusieurs domaines :

• Tester la conception de l'antenne par rapport à la technologie de processus prévue.
• Tester les erreurs de fabrication potentielles.
• Analyser le fonctionnement des antennes dans des situations réelles, y compris dans des environnements extrêmes (tels que la Vallée de la mort ou dans l'espace) et dans des scénarios d'application (par exemple, l'installation de l'antenne sur un avion militaire pour surveiller ses performances ou dans une ville pour tester la couverture des réseaux sans fil à différents endroits).
• Tester la physique et les propriétés des matériaux fondamentaux dans différentes conditions.
• Tester le système d'antenne pour vérifier qu'il n'y a pas de dégradation progressive des performances en cas de défaillance d'un canal individuel. Cela permet d'élaborer des stratégies et de planifier les réparations afin de minimiser l'impact sur les systèmes opérationnels.

Un certain nombre d'outils Ansys peuvent être utilisés pour répondre à ces questions :

• Logiciel de simulation électromagnétique haute fréquence Ansys HFSS : utilisé pour concevoir des technologies haute fréquence au niveau des dispositifs et de l'intégration, ainsi que des réseaux à commande de phase où tous les poids requis sont calculés pour concentrer un faisceau dans une direction particulière.
• Logiciel de simulation de refroidissement électronique Ansys Icepak : conçu pour mesurer la convection de chaleur autour des systèmes d'antenne et développer des systèmes de refroidissement pour l'application.
• Logiciel de simulation des fluides Ansys Fluent : utilisé pour modéliser les systèmes refroidis par liquide, par air et par eau afin de permettre un fonctionnement optimal et d'empêcher les transistors et les puces de brûler.
• Logiciel de modélisation de canaux sans fil haute fidélité Ansys RF Channel Modeler : conçu pour combiner les jumeaux numériques des systèmes d'antennes avec les jumeaux numériques des environnements à grande échelle afin d'observer le fonctionnement des réseaux RF dans des scénarios réels.

Si la technologie de formation de faisceau permet aujourd'hui à de nombreux systèmes d'antennes d'atteindre des performances bien supérieures, les progrès réalisés dans le domaine de la formation de faisceau numérique ouvrent la voie à la prochaine génération de technologies de communication.

En effet, le signal est envoyé au format numérique le plus rapidement possible, puis les processeurs numériques à grande vitesse créent plusieurs faisceaux pour rechercher la direction souhaitée. Avec un traitement de bande de base suffisant, la phase et l'amplitude peuvent être appliquées à tous les utilisateurs afin que chacun dispose de son propre faisceau unique.

Alors que la 5G bénéficie actuellement de la formation de faisceau, la formation de faisceau numérique contribuera à l'avènement de la technologie 6G, de systèmes de radar plus avancés, de la formation de faisceau multi-utilisateurs à entrées et sorties multiples (mu-MIMO) et de la formation de faisceau holographique.

Si vous souhaitez découvrir comment concevoir des réseaux d'antennes et des systèmes de communication plus avancés à l'aide de différentes approches de formation de faisceau, contactez notre équipe technique dès aujourd'hui.

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