Nous savons que la communication nécessite un support. Les lignes de transmission, en tant que moyen indispensable à la transmission d'informations, jouent un rôle crucial. Leur objectif principal est de transmettre l'énergie à haute fréquence d'un bout à l'autre avec un minimum de pertes. Il existe de nombreux types de lignes de transmission, telles que les conducteurs parallèles jumelés, les guides d'ondes, lignes coaxiales, lignes microbandeset bandes.
Concernant antennes de station de base, Les trois lignes de transmission les plus couramment utilisées sont les lignes coaxiales, les lignes microbandes et les lignes à ruban. Chacune présente des avantages et des inconvénients. Une combinaison judicieuse de ces lignes permet non seulement de réduire les coûts, mais aussi d'optimiser le réseau, améliorant ainsi l'efficacité de rayonnement de l'antenne.
1. Câble coaxial – la ligne de transmission la plus largement utilisée
La transmission par câble coaxial consiste en des piliers conducteurs séparés, comprenant généralement un conducteur interne, une couche isolante, un conducteur externe et une gaine externe. Le conducteur interne est généralement en cuivre ou en alliage de cuivre, l'espace entre les conducteurs interne et externe étant rempli d'air ou d'un diélectrique haute fréquence. Le conducteur externe est généralement constitué d'un fil de cuivre tressé ou d'une feuille d'aluminium.
Beaucoup antennes à panneau installées sur des tours utilisent encore des lignes coaxiales comme réseau d'alimentation principal. D'une part, leur structure est fixe et facile à régler ; d'autre part, elles offrent des performances stables et une forte adaptabilité à l'environnement.
Les câbles RF portant le préfixe “ S ” sont généralement des câbles coaxiaux. Dans le code des matériaux isolants :
- Y représente le polyéthylène (PE)
- F représente le polytétrafluoroéthylène (PTFE, F46)
- X représente le caoutchouc
- W représente du polyéthylène stabilisé
- D représente du polyéthylène expansé
- U représente un diélectrique à air en plastique fluoré
Pour les matériaux de la veste :
- V représente le PVC
- Y représente le polyéthylène
- W représente la mousse physique
- D représente le cuivre étamé
- F représente le fluoroplastique
L'impédance d'un Câble coaxial RF dépend de la constante diélectrique et des diamètres des conducteurs interne et externe. Elle peut être calculée à l'aide de la formule (1), où εᵣ est la constante diélectrique relative, D est le diamètre intérieur du conducteur extérieur, et d est le diamètre du conducteur interne. Actuellement, la plupart des câbles coaxiaux utilisés dans antennes de station de base ont des impédances de 35 Ω, 43 Ω, 50 Ω ou 75 Ω.
Du point de vue des deux piliers conducteurs séparés et de la transmission d'ondes électromagnétiques transversales, la technologie de transmission par câble coaxial présente une atténuation du signal relativement faible et couvre une large bande de fréquences, théoriquement capable de couvrir toute la gamme de fréquences, ce qui en fait un choix supérieur pour la transmission de signaux. Dans la communication par signaux radiofréquences, elle présente un rapport d'ondes stationnaires (ROS) plus faible, ce qui maximise la transmission d'énergie vers le terminal. De plus, ses caractéristiques structurelles uniques la rendent relativement résistante aux interférences par induction et adaptée à la communication à haut débit.
Par ailleurs, pour les transmissions longue distance, les câbles coaxiaux présentent des pertes et des coûts plus élevés que les fibres optiques. Leur rayon de courbure plus petit signifie qu'une courbure ou une torsion excessive peut entraîner une déformation structurelle interne, provoquant une réflexion du signal, une atténuation, voire une interruption de la transmission. Ils sont donc plus exigeants en termes d'espace de câblage.
2. Lignes microbandes – lignes de transmission intégrées à faible coût
Une ligne microbande est une structure de ligne de transmission composée d'une bande conductrice métallique, d'un substrat diélectrique sous-jacent et d'un plan de masse. La bande conductrice métallique sert de chemin de transmission du signal et est située à la surface du substrat diélectrique, tandis que l'autre côté du substrat diélectrique est connecté à un plan de masse de grande surface. Pour obtenir une transmission de signal à haut débit, le circuit imprimé (PCB) doit répondre à des exigences électriques spécifiques. Pour obtenir une faible perte de signal et un faible retard, il faut choisir un matériau de substrat présentant une constante diélectrique appropriée et une faible tangente de perte diélectrique, et effectuer des calculs dimensionnels et des traitements rigoureux.
En raison de sa miniaturisation et de sa facilité d'intégration, la ligne microbande est largement utilisée dans les circuits numériques à haute vitesse, les circuits RF et les circuits hyperfréquences. Dans l'industrie des antennes, la technologie microbande est couramment utilisée pour fabriquer des éléments rayonnants, des diviseurs de puissance, des combineurs, filtres, déphaseurs PCB, cartes de couplage et autres composants.
L'impédance caractéristique d'une ligne microbande varie en fonction de la largeur de la piste et de la constante diélectrique. Elle peut être ajustée en modifiant la largeur de la ligne microbande, l'épaisseur du substrat ou la constante diélectrique du matériau. Pour les conceptions microbandes, il est possible d'obtenir une impédance caractéristique plus élevée et une vitesse de transmission plus rapide en utilisant des couches indépendantes ou des techniques multicouches, qui contribuent à éliminer le couplage magnétique entre les pistes adjacentes, l'un des principaux avantages des structures microbandes.
Comme la constante diélectrique du substrat (εᵣ>1) diffère de celle de l'air (εᵣ=1), les lignes de champ électrique sont réparties en partie dans le diélectrique et en partie dans l'air. Il en résulte une faible composante longitudinale dans les champs électrique et magnétique (c'est-à-dire un mode TEM non pur). La constante diélectrique effective (εeff), qui combine les contributions diélectriques de l'air et du substrat, est donnée par l'expression suivante :
Impédance caractéristique (Z₀) : détermine la réflexion et l'adaptation du signal. Il existe deux cas :
Lorsque < 1 :
Lorsque ≥ 1
Les lignes microbandes, en tant que structure courante de ligne de transmission plane, sont appréciées des professionnels des radiofréquences en raison de leur faible coût, de leur facilité d'intégration et d'agencement, de leur impédance stable, de leur petite taille, de leur légèreté, de leur résistance aux températures élevées et de leur facilité de débogage.
Cependant, ils présentent également certaines limites, telles qu'une perte de rayonnement plus importante, une faible capacité anti-interférence, une sensibilité aux interférences électromagnétiques internes et une faible tolérance à la puissance. Actuellement, grâce à leur utilisation croissante, bon nombre de ces problèmes ont été résolus. Par exemple, les mesures anti-interférences consistent généralement à ajouter des capots de protection, à entourer la ligne microbande d'un cadre métallique ou à surélever le circuit imprimé.
3. Stripline – une ligne de transmission à faible rayonnement et hautement compatible
Une ligne triplaque est un câble de transmission haute fréquence placé entre deux plans de masse parallèles (ou plans d'alimentation) et un matériau diélectrique. En général, le plan de masse et le câble sont séparés par un milieu isolant.
En raison de la structure entièrement fermée des lignes à ruban, leur niveau de rayonnement est extrêmement faible. Cela réduit considérablement les interférences électromagnétiques vers l'environnement extérieur tout en offrant une forte immunité contre les bruits électromagnétiques entrants. C'est pourquoi la 5G/6G massive Antenne MIMO Les systèmes adoptent généralement des architectures à lignes triples, car elles améliorent efficacement la cohérence de l'amplitude et de la phase.
Dans les circuits microbandes multicouches pour circuits imprimés, les lignes à ruban sont également utilisées pour les interconnexions verticales et la transmission de signaux entre les couches, ce qui augmente le niveau d'intégration et la densité fonctionnelle de la carte de circuit imprimé. De plus, les lignes à ruban nécessitent moins d'étapes de traitement lors de la conception et de la fabrication des circuits, ce qui les rend plus faciles à produire et plus rentables que les lignes microbandes.
L'impédance caractéristique d'une ligne triplaque varie en fonction des variations de sa largeur et de sa constante diélectrique. Cette variation de l'impédance caractéristique peut être obtenue en ajustant la largeur, la hauteur ou la distance entre la ligne triplaque et le plan de masse. L'impédance caractéristique (Z0) est approximativement lié à l'épaisseur diélectrique b, la largeur du signal W, et la constante diélectrique εᵣ, la formule approximative étant :
Les lignes triplaques, en tant que structure spéciale de ligne de transmission, présentent des avantages tels qu'une excellente performance de blindage électromagnétique, une faible perte par rayonnement, une large bande passante, une forte capacité anti-interférence et une aptitude à l'intégration dans des circuits imprimés multicouches. Cependant, elles présentent également certains inconvénients, notamment des processus de fabrication complexes, une sensibilité élevée à l'impédance, des performances limitées à haute fréquence, une faible flexibilité d'intégration et un débogage difficile.
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