Qu'est-ce qu'une antenne de station de base ? Un guide complet

Dans les systèmes de télécommunications modernes, l'antenne de station de base est un élément indéniable et crucial pour faciliter nos communications quotidiennes, qu'il s'agisse d'appels vocaux ou de transferts de données à grande vitesse. Les antennes de station de base jouent un rôle fondamental dans les systèmes de communication sans fil en permettant la transmission et la réception de signaux entre les stations de base et les appareils mobiles.

Les antennes de station de base sont également connues sous le nom d'antennes de site cellulaire et d'antennes cellulaires. Elles sont généralement montées sur un pylône ou un toit et reliées à une station de base par des câbles coaxiaux. Les antennes de station de base sont disponibles en différentes formes et tailles et peuvent être soit omnidirectionnelles, soit directionnelles. La fréquence de fonctionnement, la zone de couverture, la portée et d'autres paramètres de performance peuvent varier en fonction de l'antenne de station de base choisie pour un réseau spécifique.

Différents systèmes de communication utilisent différentes antennes de station de base, telles que les antennes de station de base GMRS (General Mobile Radio Service), généralement utilisées pour les systèmes de communication bidirectionnelle pour les applications personnelles et d'urgence, les antennes de station de base CB (Citizens Band) généralement utilisées pour les systèmes radio personnels et commerciaux à courte portée, les antennes de station de base VHF (Very High Frequency) généralement utilisées pour les systèmes de communication maritimes, aéronautiques et de sécurité publique et les antennes de station de base UHF (Ultra High Frequency) généralement utilisées pour les communications mobiles, les systèmes militaires et les systèmes de radiodiffusion, etc.

Cet article présente une vue d'ensemble des antennes de station de base, des principes de fonctionnement aux applications, en passant par les détails d'installation et d'entretien.

Comment fonctionnent les antennes des stations de base ?

Les antennes de station de base fonctionnent en émettant et en recevant des ondes électromagnétiques. Lorsque les utilisateurs accèdent au réseau pour passer des appels ou transférer des données, les signaux sont envoyés à la station de base la plus proche, où l'antenne de la station de base convertit le signal reçu en un courant électrique qui est amplifié avant d'être envoyé à l'équipement de la station de base. Dans l'équipement de la station de base, le signal sera traité pour établir la connexion et permettre l'appel ou l'accès aux ressources internet. Inversement, lorsqu'une antenne de station de base souhaite envoyer des signaux aux utilisateurs, elle convertit le courant électrique en onde électromagnétique et la transmet.

L'antenne de la station de base émet les signaux dans des directions spécifiques en fonction de son diagramme de rayonnement et la zone de couverture est également déterminée par la directivité de l'antenne de la station de base. En général, ces antennes de station de base sont montées sur des tours ou sur des toits afin d'obtenir la zone de couverture souhaitée et de minimiser les interférences. Cela permet d'obtenir une force et une qualité de signal maximales. Globalement, les antennes de station de base ont pour fonction de convertir les signaux électriques en ondes électromagnétiques et vice versa, facilitant ainsi la connexion entre la station de base et les appareils de l'utilisateur.

Types d'antennes de station de base

Comme nous l'avons vu, les antennes de station de base sont un élément essentiel pour assurer une connectivité sans faille dans les systèmes de communication utilisés quotidiennement par les consommateurs. Il existe différents types d'antennes de station de base qui peuvent être utilisés en fonction des besoins spécifiques d'un réseau. Quelques-uns des types d'antennes de station de base les plus couramment utilisés sont présentés brièvement ci-dessous.

• Antennes omnidirectionnelles en fibre de verre

Les antennes de station de base omnidirectionnelles en fibre de verre transmettent et reçoivent des signaux de manière égale dans toutes les directions. Elles sont utilisées dans les réseaux où les consommateurs peuvent être situés dans n'importe quelle direction dans une zone circulaire autour de l'antenne. En général, ces antennes sont utilisées dans les zones urbaines à faible densité ou dans les zones rurales où la direction des utilisateurs est inconnue ou peut changer dans toutes les directions. Les antennes de station de base omnidirectionnelles ont une large zone de couverture car elles peuvent émettre et recevoir des signaux sur 360 degrés, mais leur gain est faible, d'où une puissance de signal plus faible et une portée plus courte. Le revêtement extérieur en fibre de verre garantit que ces antennes peuvent être utilisées pour des applications extérieures car elles résistent à la plupart des conditions météorologiques.

• Antennes sectorielles

Les antennes de station de base de type sectoriel émettent des signaux dans une direction spécifique sur le plan horizontal. La zone de couverture de ces antennes se situe généralement entre 60 et 120 degrés, mais peut s'étendre plus loin. En raison de leur directivité, les antennes de station de base sectorielles ont un gain comparativement plus élevé. Elles ont donc un gain élevé et, par conséquent, une meilleure force de signal et des distances de rayonnement plus longues. Les antennes de station de base sectorielles sont idéales pour mettre en place des réseaux sans fil dans les zones urbaines à forte densité. Ces antennes peuvent être combinées pour former des antennes multisectorielles afin d'améliorer la zone de couverture.

• Antennes Yagi-Uda :

Les antennes Yagi sont des antennes hautement directionnelles et sont idéales pour être utilisées comme antennes de station de base. Les antennes Yagi se composent d'un élément dipôle dans une longue structure en forme de flèche et de plusieurs éléments parasites fixés de part et d'autre de la structure de la flèche pour améliorer le rayonnement dans une direction. En raison de leur grande directivité, les antennes Yagi sont idéales pour mettre en place des réseaux dont la zone de couverture doit s'étendre sur une longue distance, mais dans une zone restreinte et ciblée. Comme les antennes Yagi sont très directionnelles et ont un gain d'antenne élevé dans une direction spécifique, elles sont plus résistantes aux interférences provenant d'autres appareils ou d'obstructions dans l'environnement. Ces antennes conviennent généralement aux systèmes de communication longue distance et aux réseaux sans fil dans les zones rurales ou suburbaines.

• Antennes paraboliques :

Les antennes paraboliques sont utilisées comme antennes de station de base car elles ont la capacité de focaliser les signaux dans une direction spécifique et ont une grande directivité. Ces antennes sont idéales pour les systèmes de communication à longue portée, pour les liaisons point à point entre les stations de base et pour les communications par satellite. La forme parabolique permet à ces antennes de générer un faisceau de signaux étroit et puissant vers une direction fixe, ce qui permet d'obtenir des débits de données élevés avec un minimum d'interférences.

• Antennes dipôles :

Les antennes dipôles sont l'une des antennes les plus simples et les plus utilisées. Elles peuvent être utilisées comme antennes de station de base et sont généralement constituées de deux éléments conducteurs séparés au centre par un matériau isolant. La source du signal est fournie au centre de l'antenne, puis la tension et le courant alimentant les deux éléments conducteurs génèrent des signaux électromagnétiques qui sont rayonnés à l'extérieur de l'antenne. Les antennes dipôles sont omnidirectionnelles et peuvent donc être utilisées dans les stations de base qui doivent transmettre ou recevoir des signaux dans toutes les directions. Les antennes dipôles VHF et UHF peuvent être utilisées dans les stations de base pour établir une connectivité pour la sécurité publique, les zones côtières, les applications industrielles et de communication publique.

Différentes bandes de fréquences utilisées

Les antennes des stations de base sont un élément fondamental des systèmes de communication que nous utilisons au quotidien. Les performances de ces antennes peuvent donc avoir un impact significatif sur la qualité du système de communication et l'expérience de l'utilisateur. En fonction des différentes applications et des cas d'utilisation, des antennes de différentes fréquences peuvent être nécessaires. Certaines des fréquences couramment utilisées dans les antennes de stations de base sont présentées ci-dessous.

700 MHz : Cette fréquence est utilisée pour les réseaux Long Term Evolution (LTE) et peut offrir une bonne couverture et une bonne capacité.

900 MHz : Cette fréquence est généralement utilisée pour les réseaux du système mondial de communications mobiles (GSM) et offre une bonne couverture, mais des débits de données inférieurs à ceux des fréquences plus élevées.

1800 MHz : Cette fréquence est aussi généralement utilisée pour les réseaux GSM, mais contrairement à la fréquence 900 MHz, elle offre des débits de données plus élevés, mais avec une couverture réduite.

2100 MHz : Cette fréquence est généralement utilisée pour les réseaux UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) et offre des débits de données plus élevés, mais avec une couverture limitée.

2600 MHz : Cette fréquence est une autre fréquence utilisée pour les réseaux LTE et fournit des débits de données très élevés, mais à mesure que la fréquence augmente, la zone de couverture devient encore plus limitée.

3500 MHz : Cette fréquence est généralement utilisée pour les réseaux 5G modernes et offre des débits de données élevés, mais avec une couverture limitée.

5800 MHz : Cette fréquence est utilisée pour les réseaux Wi-Fi et offre des débits de données élevés, mais les longueurs d'onde étant plus courtes, elles conviennent mieux aux communications à courte portée.

Ainsi, comme on peut le constater, la gamme de fréquences de fonctionnement d'une antenne de station de base doit être soigneusement choisie en fonction des exigences de l'application, en optimisant les débits de données, la portée de transmission et la zone de couverture.

Technologies d'antennes MIMO et de formation de faisceaux

Les technologies MIMO et de formation de faisceaux sont devenues un élément crucial des systèmes de réseaux modernes. Les antennes des stations de base peuvent être utilisées dans une configuration MIMO où le nombre d'émetteurs et de récepteurs est augmenté dans le réseau et permet d'envoyer et de recevoir simultanément des signaux sur le même canal, ce qui augmente la capacité sans sacrifier le spectre.

Dans la formation de faisceaux, plusieurs antennes envoient les mêmes données sur plusieurs flux. Mais en raison des différences de placement et d'emplacement des antennes, les signaux coïncident à certains endroits, ce qui améliore la puissance du signal, tandis qu'à d'autres endroits, le signal peut être affaibli. En plaçant stratégiquement les antennes de la station de base pour optimiser les différences de phase, il est possible d'améliorer la puissance globale du signal de la transmission.

À quoi servent les antennes des stations de base ?

Comme nous l'avons souligné tout au long de cet article, les antennes de station de base sont extrêmement importantes dans les systèmes de communication. Voici quelques-uns des cas d'utilisation les plus courants des antennes de station de base.

Réseaux de communication sans fil (par exemple, réseaux cellulaires tels que 2G, 3G, 4G, 5G)

Les antennes de station de base jouent un rôle majeur dans l'établissement de la connectivité sans fil entre les appareils des utilisateurs finaux, tels que les téléphones mobiles ou les tablettes, et l'infrastructure des réseaux cellulaires. Dans la zone de couverture de l'antenne de station de base, celle-ci reçoit et transmet des signaux entre les appareils des utilisateurs et les stations de base du réseau sans fil. Les différentes générations de réseaux cellulaires 2G, 3G, 4G ou 5G utilisent des antennes de station de base fonctionnant dans différentes bandes de fréquences pour transmettre et recevoir des signaux qui transportent la voix, les données, les textes, etc. En général, les réseaux 2G (GSM) utilisent des bandes de fréquences basses telles que 900 MHz et 1800 MHz, les réseaux 3G (UMTS) fonctionnent généralement à des fréquences plus élevées telles que 2100 MHz, les réseaux 4G (LTE) utilisent une large gamme de fréquences telles que 700 MHz, 1800 MHz et 2600 MHz, tandis que les réseaux 5G peuvent utiliser une gamme de fréquences encore plus large allant de moins de 1 GHz (bande basse) à des fréquences plus élevées telles que la bande moyenne (3.5 GHz) et même les fréquences d'ondes millimétriques (24 GHz et plus). Les réseaux cellulaires 5G exigent des débits de données plus rapides et une connectivité de qualité. C'est pourquoi ces réseaux utilisent des antennes de station de base qui fonctionnent avec les dernières technologies telles que MIMO (Multiple Input Multiple Output) et la formation de faisceaux.

Couverture du signal

Les antennes de station de base sont le principal composant permettant d'assurer la couverture du signal dans un réseau sans fil. La zone de couverture dépend du type d'antenne utilisé et des paramètres de performance de l'antenne tels que la fréquence, le gain, la polarisation, etc. Afin d'optimiser la zone de couverture d'une antenne de station de base, celle-ci doit être placée avec soin et de manière stratégique, de manière à minimiser les interférences avec les autres dispositifs environnants et les conditions environnementales. Pour garantir une connectivité sans faille aux utilisateurs lorsqu'ils se déplacent, les antennes de station de base sont généralement placées de manière à ce que les zones de couverture des deux antennes voisines se chevauchent légèrement. La zone de couverture du signal d'une antenne de station de base peut varier d'une banlieue à de grandes villes ou à de vastes zones rurales. Les antennes omnidirectionnelles et les antennes directionnelles peuvent toutes deux être utilisées comme antennes de station de base. La couverture du signal d'une antenne omnidirectionnelle se fera dans toutes les directions de manière égale, tandis que si une antenne directionnelle telle qu'une antenne parabolique ou une antenne sectorielle est utilisée, la couverture du signal sera concentrée vers une direction spécifique. Si des antennes directionnelles sont utilisées, elles peuvent être utilisées dans un réseau ciblant différents secteurs ou directions de manière à obtenir une plus grande couverture du signal.

Connexions backhaul

La connexion entre une station de base et le réseau central qui relie plusieurs stations de base entre elles est connue sous le nom de connexion backhaul. Les connexions backhaul peuvent être câblées ou sans fil. Les antennes des stations de base jouent un rôle clé dans les connexions backhaul en établissant des connexions point à point entre les stations de base ou entre les stations de base et le réseau central. Cette fonction est extrêmement utile, en particulier dans les endroits où il n'est pas possible d'installer une infrastructure câblée. Les antennes hautement directionnelles conviennent aux connexions backhaul car elles peuvent garantir que les connexions sont établies en toute sécurité, même sur de longues distances et malgré les interférences éventuelles.

Radiodiffusion (signaux de radio FM et de télévision)

Un autre cas d'utilisation important des antennes de station de base est la diffusion de signaux de radio et de télévision FM. Dans le cas de la radiodiffusion FM, l'antenne de station de base transmet généralement les signaux radio dans toutes les directions, en tant qu'antenne omnidirectionnelle, de sorte que tous les appareils, quelle que soit leur direction, dans une région donnée, peuvent se connecter et recevoir les signaux d'ondes radio. Dans le domaine de la télédiffusion, les chaînes de télévision ou le contenu sont également transmis aux utilisateurs via l'antenne de la station de base. Outre les fréquences de fonctionnement couramment utilisées pour les antennes de station de base, la diffusion de signaux de télévision peut nécessiter des antennes de station de base dans les gammes VHF et UHF. Les antennes de station de base pour la radio FM et la télédiffusion devraient idéalement être optimisées pour transmettre des signaux dans toutes les directions sans sacrifier la portée/distance de la transmission.

Communications d'urgence et de sécurité publique

Les antennes de station de base peuvent également être utilisées dans les systèmes de communication d'urgence et de sécurité publique tels que les systèmes d'intervention en cas de catastrophe naturelle, d'accident, les bases militaires, etc. Les antennes de station de base sont utilisées dans ces systèmes d'intervention d'urgence car elles peuvent fournir une connectivité stable et fiable avec une force et une qualité de signal élevées. Ces antennes sont largement utilisées par les premiers intervenants, les équipes médicales, les équipes militaires, etc. Une communication fiable et stable permet d'assurer une bonne coordination entre les utilisateurs afin de garantir une gestion sûre et intelligente d'une situation d'urgence ou d'une menace. Les antennes de station de base sont aussi généralement utilisées dans les systèmes d'alerte et d'avertissement pour avertir efficacement les utilisateurs dans une zone de couverture spécifique afin de garantir la sécurité publique.  

Rôle dans les réseaux cellulaires

Les antennes des stations de base sont les éléments les plus importants des réseaux cellulaires. Elles sont utilisées pour la transmission et la réception de signaux dans toutes les générations de réseaux cellulaires, de la 2G à la 5G et au-delà. Chaque génération de réseau cellulaire utilise une technologie différente : GSM pour la 2G, WCDMA pour la 3G, WiMax et LTE pour la 4G, MIMO et ondes millimétriques pour la 5G. Chacune de ces technologies peut être établie à l'aide d'antennes de station de base ayant des fréquences de fonctionnement différentes.

L'évolution des générations de réseaux cellulaires s'accompagne d'une amélioration des technologies et des normes qui leur sont associées. De meilleures vitesses, de meilleurs débits de données, une meilleure qualité de signal et de meilleures performances globales sont attendues des réseaux cellulaires à mesure que les technologies se développent rapidement. Les antennes de station de base jouent donc un rôle fondamental en assurant une communication stable et fiable dans les réseaux cellulaires et en offrant aux utilisateurs une expérience transparente lors des appels vocaux, des textes, de la lecture en continu, etc.

Outre les caractéristiques de performance, la zone de couverture d'un réseau cellulaire sera également déterminée en fonction du type d'antenne de station de base utilisé. L'antenne de station de base choisie pour établir le réseau cellulaire aura une incidence sur le rayonnement du signal dans toutes les directions, comme dans le cas des antennes omnidirectionnelles, ou sur le faisceau focalisé, comme dans le cas des antennes directionnelles, ainsi que sur la portée de la transmission. Il est donc important d'accorder une attention particulière au choix d'une antenne de station de base pour un réseau cellulaire, quelle que soit la génération.

Qu'est-ce qu'une antenne de station de base bibande VHF/UHF ?

Les antennes de station de base bibande ont la capacité de fonctionner sur deux bandes ou fréquences distinctes. Elles peuvent fonctionner sur une seule bande de fréquences ou sur les deux simultanément, en fonction des besoins des utilisateurs du réseau. La gamme VHF est généralement comprise entre 30 et 300 MHz, tandis que la gamme UHF est comprise entre 300 MHz et 3 GHz. Ces antennes de station de base bibande ont la capacité d'utiliser ces deux bandes de fréquences, ce qui les rend beaucoup plus polyvalentes pour une large gamme d'applications.

Qu'est-ce qu'une antenne de station de base CB ?

Les antennes de station de base Citizen's Band sont généralement utilisées pour les communications à courte et moyenne distance et fonctionnent généralement dans la gamme de fréquences de 26,965 MHz à 27,405 MHz. Ces antennes peuvent être omnidirectionnelles ou directionnelles et sont disponibles dans une grande variété de formes et de tailles. Les antennes de stations de base CB sont spécifiquement conçues pour assurer une transmission et une réception efficaces des signaux radio CB afin de fournir une communication cohérente, fiable et de haute qualité entre les appareils radio CB.

Impact sur la performance du réseau

L'antenne est probablement l'élément qui contribue le plus à déterminer les performances d'un réseau. Les antennes des stations de base ont également un impact considérable sur les performances globales du réseau. Elles ont généralement un gain plus élevé que les autres types d'antennes et peuvent donc transmettre sur de plus longues distances, à de meilleures vitesses et à des débits de données plus élevés. Les antennes de station de base sont généralement conçues pour fournir des signaux de haute qualité avec un minimum d'interférences et de bruit. Ces antennes peuvent contribuer à assurer une connexion stable et fiable.

Comme les antennes de station de base sont disponibles dans tous les types, elles permettent d'utiliser une antenne en fonction des besoins d'un réseau spécifique et d'optimiser la couverture et la force du signal dans chaque réseau. En outre, les antennes de station de base sont conçues pour permettre à un grand nombre d'utilisateurs de se connecter simultanément, ce qui les rend idéales dans les situations de forte densité de population ou d'utilisation intensive du réseau. Les antennes de station de base sont durables et capables de résister à des conditions météorologiques difficiles, ce qui garantit une connectivité et des performances réseau fiables et stables, quelles que soient les conditions météorologiques extrêmes.

Globalement, les antennes des stations de base jouent un rôle majeur dans la fourniture d'une connectivité sans fil de haute qualité et dans la performance du réseau.

Placement de l'antenne de la station de base

L'emplacement d'une antenne de station de base est extrêmement important pour obtenir des performances optimales. L'emplacement de l'antenne doit être choisi de manière à minimiser les interférences avec les autres antennes ou dispositifs environnants, ainsi qu'avec les obstacles physiques importants.

Il est également important de prêter attention aux conditions météorologiques de l'environnement d'exploitation. Dans les zones urbaines, où la densité de population est élevée, les antennes directionnelles à gain relativement faible et à largeur de faisceau horizontale étroite sont généralement idéales pour minimiser les interférences. Dans les zones rurales, où le trafic est plus faible, on utilise des antennes directionnelles ou omnidirectionnelles à gain élevé, car la couverture est une préoccupation majeure.

Maintenance des antennes

La maintenance des antennes des stations de base est essentielle pour garantir un fonctionnement optimal des antennes. Ceci est important pour fournir aux utilisateurs finaux un système de communication fiable et stable. Les antennes de station de base nécessitent des contrôles réguliers afin de garantir le maintien de leurs paramètres de performance. L'entretien de routine doit comprendre des inspections visuelles, le nettoyage et le test du système d'antenne.

Considérations sur les coûts

Lors de la sélection d'une antenne de station de base, le coût est un élément clé. Il est important de prendre en compte les coûts globaux qui peuvent être liés à la mise en place initiale et à la maintenance à long terme. Le coût réel dépendra du type d'antenne choisi et de ses caractéristiques de performance. Toutefois, il est important de trouver un équilibre entre le montant dépensé et le niveau de performance atteint par l'antenne de la station de base dans le réseau.

Conclusion

Cet article présente une vue d'ensemble des antennes de station de base, en soulignant leur fonctionnement, les différents types et modèles disponibles, les dernières technologies utilisées et certains des cas d'utilisation les plus courants. Les antennes de station de base jouent un rôle essentiel dans l'établissement des réseaux cellulaires. Cet article présente les différentes générations de réseaux cellulaires, les principales technologies de chaque génération et la manière dont différentes antennes de station de base, avec différentes fréquences, peuvent être utilisées pour répondre aux exigences d'un réseau.

L'article aborde également quelques-uns des facteurs à prendre en compte lors de la sélection d'une antenne, tels que l'emplacement, la maintenance et le coût. Dans l'ensemble, une compréhension approfondie des antennes de station de base, de leur fonctionnement et de la large gamme d'options disponibles nous permettra d'obtenir les performances optimales de l'antenne pour un réseau.