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Des antennes nouveau genre pour contourner la pénurie de fréquences radio

Antennes 2.0
12 février 2014 // par Joël Leblanc

C’était à la fin de 1901, à Saint-Jean de Terre-Neuve. Par une journée d’hiver, Guglielmo Marconi, debout face à la mer, fait élever une antenne de 150 mètres à l’aide d’un grand cerf-volant et réussit à capter les signaux radio qu’une autre équipe envoie de Poldhu, en Angleterre. C’est la première démonstration de la possibilité de transmettre des ondes électromagnétiques sur plusieurs centaines de kilomètres et le début d’une révolution dans les communications. Aujourd’hui, plus de 112 ans après cet exploit, du cellulaire aux satellites, en passant par le Wi-Fi, la télé et les systèmes GPS, la vie est difficilement imaginable sans ondes radio. Tellement qu’on commence à s’arracher les rares fréquences encore disponibles. Il faut ouvrir des fréquences encore inexploitées, défi que tente de relever Tayeb A. Denidni, professeur au Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS, en développant des antennes nouveau genre.

 

« Les ondes radio sont maintenant surpeuplées, explique l’ingénieur électrique. Elles sont utilisées par des milliers d’appareils qui doivent avoir leur fréquence dédiée pour éviter d’interférer les uns avec les autres. » Dans une maison, par exemple, le Wi-Fi (pour Wireless Fidelity) fonctionne à une fréquence de 2,4 GHz, alors que les combinés de téléphone sans fil utilisent la bande 1,9 GHz. Dans la voiture, la radio FM est diffusée sur les bandes de 87,5 à 108 MHz, alors que les signaux GPS se captent à 1,575 GHz...

 

Tous ces chiffres se comprennent aisément quand on sait qu’une onde, c’est un peu comme une vague, et la fréquence d’une onde, c’est le nombre de vagues qui se propagent à chaque seconde. On exprime cette fréquence en hertz, c’est-à-dire en nombre de vagues par seconde. Ainsi, une fréquence d’une vague à la seconde se dit 1 hertz. Mais les ondes radio ont des fréquences drôlement élevées. Elles s’expriment en kilohertz (kHz – milliers d’oscillations à la seconde), en mégahertz (MHz – millions d’oscillations à la seconde) et en gigahertz (GHz – milliards d’oscillations à la seconde).

 

« Plus cette fréquence est élevée, plus on peut transmettre de données à la seconde, décrit Tayeb Denidni. D’où l’intérêt d’utiliser les très hautes fréquences en cette ère informatique où l’on exige des débits toujours plus hauts. Or, nous sommes limités par la technologie. » Présentement, dans l’usage courant, on exploite surtout les fréquences radio jusqu’à environ 3 GHz. Elles permettent des débits relativement élevés et ne sont pas trop difficiles à exploiter. Or, un grand potentiel de fréquences reste encore à exploiter, car le spectre des ondes radio s’étend jusqu’à 300 GHz.

Les ondes de très hautes fréquences (entre 30 GHz et 300 GHz), appelées aussi ondes millimétriques à cause de leur longueur de l’ordre du millimètre, ont toutefois deux gros défauts. D’abord, à cause de leur faible longueur d’onde, elles nécessitent des antennes très petites, inférieures au centimètre – on est loin de Marconi et de son antenne de 150 mètres! Ensuite, elles s’atténuent rapidement et leur portée est d’à peine quelques dizaines de mètres.

 

Qu’à cela ne tienne, Tayeb Denidni et son équipe d’une douzaine d’étudiants et de postdoctorants consacrent leurs recherches aux ondes millimétriques. À la clé : de nouvelles antennes qui risquent de révolutionner les communications sans fil. Ces orfèvres de l’électronique fabriquent de petits chefs-d’œuvre : leurs antennes, et les accessoires qui les accompagnent, arborent des symétries et des dorures parfaites, précises au dixième de millimètre. « En ce moment, les composantes pour émettre en ondes millimétriques sont difficiles à fabriquer et elles sont rares, déplore le chercheur. C’est pourquoi elles coûtent de cinq à dix fois plus cher que les mêmes composantes pour les communications radio classiques. Un développement dans ce domaine permettra de faire baisser les prix. »

 

Pour contrer la courte portée des ondes millimétriques, les travaux de l’ingénieur d’origine algérienne reposent principalement sur la technologie FSS, de l’anglais Frequency Selective Surfaces, soit des surfaces sélectives en fréquence. Il s’agit par exemple d’une petite cage circulaire qui entoure l’antenne. En jouant avec les courants électriques qui parcourent les différentes sections de cette cage, on les rend perméables aux ondes ou non. « On peut donc décider si les ondes passent dans une direction ou pas en ouvrant ou en fermant le passage. Ça permet d’ajuster le diagramme de rayonnement de l’antenne en temps réel pour s’adapter aux contraintes de propagation du moment et adopter en continu la meilleure configuration. Sans bouger, l’antenne peut suivre les mouvements de l’usager. »

Normalement, une antenne émet un peu dans toutes les directions, comme une ampoule électrique. Avec le système FSS, Tayeb Denidni travaille à concentrer les ondes dans une seule direction, ce qui focalise leur énergie et permet de les envoyer plus loin, un peu comme le fait un laser en focalisant la lumière. « La portée pourrait atteindre quelques centaines de mètres, ce qui commence à s’approcher des rayons d’action des tours de communication pour téléphones cellulaires dans les villes. »

 

À moyen terme, Tayeb Denidni vise donc le meilleur des deux mondes : des ondes à hautes fréquences, jusqu’à 30 GHz, qui permettent de hauts débits de données, et de plus longues portées. Mais déjà, il imagine une petite révolution dans les communications sur les courtes distances. « Prenez les voitures, par exemple. Elles contiennent de plus en plus de capteurs qui acheminent différentes informations à l’ordinateur central. On pourrait éliminer tous les câbles informatiques d’une voiture en les remplaçant par des communications par ondes millimétriques. L’essor des voitures intelligentes sera facilité avec le haut-débit, qui leur permettra de réagir vite aux conditions de conduite, comme une chaussée glissante, et aux évènements, comme une collision imminente. Ces voitures pourront même échanger avec celles à proximité pour diminuer les risques d’impact. »

 

En plus de débloquer la congestion des fréquences radio, les avancées de l’équipe de Tayeb Denidni, comme celle de Marconi à son époque, rendront possible le développement de champs d’application dont on n’imagine probablement pas encore, sans jeu de mots, toute la distance qu’ils feront parcourir aux communications sans fil du futur. ♦

 

 

Photo du haut de la page : le professeur Tayeb Denidni est photographié dans la chambre anéchoïque du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l'INRS à Montréal. C'est dans ce lieu imperméable à tout son et à tout champ électromagnétique que son équipe et lui procèdent aux expérimentations et aux tests sur les antennes qu'ils développent.

 

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Contrat Creative Commons« Des antennes nouveau genre pour contourner la pénurie de fréquences radio : Antenne 2.0 » de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS) est mis à disposition selon les termes de la licence Creative Commons Paternité - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 2.5 Canada. Les autorisations au-delà du champ de cette licence peuvent être obtenues en contactant la rédaction en chef. © Institut national de la recherche scientifique, 2014 / Tous droits réservés / Photos © Christian Fleury

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