Système antennaire en bandes Sub-6 GHz et millimétrique pour petites cellules 5G

L'évolution des systèmes de communication sans fil, portée par la 5G et la future 6G, impose des contraintes croissantes en matière de capacité, latence, efficacité énergétique et directivité. Ces contraintes nécessitent une montée en fréquence notamment dans la bande millimétrique. Cependant, ces fréquences plus élevées engendrent une courte portée due aux conditions du canal. Pour pallier ce problème, les petites cellules (small cells) basées sur le réseau hétérogène (Hetnets) de la 5G sont introduites en tant que solution prometteuse. En effet, la 5G, utilisant deux plages de fréquences (FR1 et FR2), permet à la fois une portée importante (Sub-6 GHz pour la FR1) et une capacité élevée (millimétrique pour la FR2). Ces réseaux nécessitent alors des systèmes bi-bandes qui sont au cœur de ces enjeux, déterminant directement la qualité de service, la couverture et la robustesse face aux interférences. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et vise à développer de nouvelles architectures comportant du beam-switching permettant d'apporter une solution à consommation réduite. Après un état de l'art sur les techniques de dépointage adaptées aux fréquences millimétriques, trois grandes approches ont été mises en évidence : les réseaux phasés, les antennes reconfigurables et les systèmes quasi-optiques. Pour répondre aux besoins ciblés, nous avons notamment étudié la conception d'une antenne reconfigurable en bande millimétrique à base d'éléments parasites, permettant un dépointage figé du faisceau, combinée à une alimentation par couplage garantissant une large bande passante et une meilleure intégration. Une solution basée sur ce principe a été ensuite utilisée pour concevoir un système bi-bande Sub-6 GHz et millimétrique. La première partie de la thèse porte sur la conception d'un réseau millimétrique de patchs couplés, imprimés sur substrats ROGERS. Le réseau compact (65,46 × 27 × 1,306 mm³), composé de 12 éléments rayonnants, fonctionne à 26 GHz avec double polarisation grâce à des patchs en croix. Les faisceaux obtenus sont orientés par activation sélective de ports via des diviseurs de Wilkinson et des éléments parasites. Ce système, doté de 8 ports, permet six configurations de rayonnement. Les prototypes réalisés ont montré une bande passante relative de 8,1 % et un gain maximal de 9,64 dBi, validant son intégration comme sous-ensemble dans un système plus large. Dans la seconde partie, est présentée la conception d'une antenne bi-bande intégrant les sous-réseaux millimétriques et deux antennes Sub-6 GHz adaptées aux bandes 5G n78 (centrée à 3,6 GHz) et n258 (centrée à 26 GHz). Les patchs Sub-6 GHz, réalisés en maillechort et surélevés de 5 mm, offrent une double polarisation et supportent une fonctionnalité MIMO grâce à l'utilisation d'une seconde antenne identique. Une technique de réduction de couplage basée sur la conception d'une ligne de neutralisation a été intégrée, et a permis d'améliorer l'isolation jusqu'à 35 dB. Les mesures du prototype confirment une bande passante de 24,4 %, un gain de 8,35 dBi et de bonnes performances MIMO. En conclusion, cette thèse propose une antenne bi-bande innovante, compacte et performante, répondant aux exigences requises dans les bandes Sub-6 GHz et millimétriques. Les résultats expérimentaux démontrent sa pertinence pour les réseaux 5G et permettent d'envisager la conception de solutions adaptées pour la 6G basée sur un design et des performances optimisés par apprentissage automatique ML ou Intelligence artificielle (IA).