Comprendre les radiofréquences d’aujourd’hui pour se préparer à la 6G de demain

La technologie des hautes fréquences (HF) est aujourd’hui présente partout : le Wi-Fi, le Bluetooth, la téléphonie mobile, les systèmes de navigation et d’innombrables appareils connectés (IoT) utilisent des signaux à haute fréquence. Comprendre comment ceux-ci sont générés, transmis, reçus et mesurés permet non seulement de jeter un œil dans les coulisses de la technologie radio moderne, mais aussi de sélectionner et d’utiliser de manière plus ciblée des antennes, des modules radio et des circuits.

Et le développement se poursuit : la 6G, la prochaine génération de téléphonie mobile, se profile déjà à l’horizon. Beaucoup de choses relèvent encore de la science-fiction, mais des thèmes tels que les fréquences plus élevées, les systèmes d’antennes intelligents, les réseaux basés sur l’intelligence artificielle (IA) et les nouvelles applications – de la localisation précise à la communication holographique – montrent la direction que pourrait prendre cette évolution. Les bases techniques nécessaires sont déjà posées aujourd’hui.

Ce guide présente les principes fondamentaux de la technologie HF, explique le rôle des antennes, de la compatibilité électromagnétique (CEM) et des techniques de mesure, et met en évidence les composants et outils indispensables dans la pratique. Il est idéal pour les makers, les étudiants et tous ceux qui souhaitent mieux comprendre la technologie radio d’aujourd’hui et se préparer aux technologies de demain.

Principes fondamentaux de la technologie haute fréquence

En pratique, la longueur réelle de l’antenne dépend toutefois de sa conception, du circuit imprimé, de la surface de masse, du boîtier, de l’environnement et des matériaux utilisés. Une antenne sur circuit imprimé, une antenne à puce ou une antenne PIFA peut donc avoir un aspect très différent d’une simple antenne filaire.

À mesure que la fréquence augmente, les antennes deviennent plus petites. Parallèlement, les exigences en matière de conception des circuits imprimés, des câbles, des connecteurs et de la structure mécanique s’accroissent. Les pertes dans les lignes, les connecteurs, les parois et les boîtiers augmentent également. À haute fréquence, les pistes conductrices et les câbles ne se comportent plus comme de simples connexions, mais comme des lignes de transmission à impédance définie.

Leur longueur, leur géométrie, la gestion de la masse et les transitions influencent directement le niveau, la phase et la qualité du signal. En haute fréquence, il est essentiel d’avoir des trajets de signal courts, des plans de masse propres, des impédances définies et des chemins de retour contrôlés.

Modulation : transmission d’informations sur un signal porteur

Pour pouvoir être transmises sans fil, les informations sont modulées sur un signal porteur à haute fréquence.

Dans le cas de la modulation d’amplitude, l’intensité du signal porteur est modifiée. La modulation de fréquence, en revanche, modifie la fréquence porteuse autour d’une fréquence centrale. Dans le cas de la modulation de phase, la phase du signal alterne entre des états définis.

Les normes radio modernes utilisent des procédés de modulation numérique. Les techniques QPSK et QAM combinent l’amplitude et la phase afin de transmettre plusieurs bits par symbole. L’OFDM répartit les données sur de nombreuses sous-porteuses étroites et orthogonales entre elles. Cette méthode permet de mieux maîtriser les interférences, les réflexions et la propagation par trajets multiples.

La modulation définit la manière dont les informations numériques sont converties en un signal radio et récupérées.

La technologie RF en bref : QPSK, QAM et OFDM expliqués simplement

Abréviation	Désignation anglaise	Désignation française	Explication simple
QPSK	Quadrature Phase Shift Keying	Modulation par déplacement de phase en quadrature	Utilise quatre états de phase différents d’un signal pour transmettre deux bits par symbole.
QAM	Quadrature Amplitude Modulation	Modulation d’amplitude en quadrature	Combine différentes amplitudes et phases pour transmettre plusieurs bits par symbole. Plus il y a d’états de signal, plus le débit de données possible est élevé à débit de symboles égal.
OFDM	Orthogonal Frequency Division Multiplexing	Multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence	Répartit les données sur de nombreuses sous-porteuses étroites et orthogonales les unes par rapport aux autres. Cela permet une transmission efficace et contribue à réduire les effets de la propagation par trajets multiples.

Antennes et adaptation

Les antennes convertissent les signaux HF transmis par câble en ondes électromagnétiques, et inversement. Leur conception, leurs dimensions, leur position de montage et leur environnement influencent la portée et la qualité du signal.

Les formes d’antennes les plus courantes sont les dipôles, les monopôles, les patch, les hélicoïdales, les PCB et les à puce. Les modules d’antenne peuvent être équipés de différents connecteurs, par exemple SMA, RP-SMA, U.FL ou d’autres connecteurs HF. SMA n’est pas un type d’antenne, mais un système de connecteurs.

L’adaptation d’impédance entre le module radio, le câble, le connecteur et l’antenne est un point important. Dans de nombreuses applications HF, la norme système habituelle est de 50 ohms. Si la source, le câble et l’antenne ne sont pas correctement adaptés les uns aux autres, des réflexions se produisent. Une partie de la puissance est alors renvoyée au lieu d’être rayonnée ou transmise.

L’adaptation peut notamment être évaluée à l’aide du rapport d’ondes stationnaires (ROS). Des valeurs autour de 1,5:1 sont satisfaisantes pour de nombreuses applications. Des valeurs nettement plus élevées, supérieures à 2:1 par exemple, doivent faire l’objet d’une vérification.

Les câbles coaxiaux font également partie du système haute fréquence. La longueur, l’atténuation, le rayon de courbure, les connecteurs et les adaptateurs influencent le signal. À hautes fréquences, l’atténuation du câble augmente. Des câbles coaxiaux longs ou fins peuvent déjà entraîner des pertes perceptibles à 2,4 GHz. Il est donc important d’utiliser des câbles courts, des connecteurs adaptés et de veiller à une réalisation mécanique soignée.

Perles de ferrite et CEM

Toutes les hautes fréquences présentes dans un circuit ne sont pas souhaitables. Les fronts de commutation rapides, les fréquences d’horloge, les convertisseurs CC/CC, les microcontrôleurs, les écrans, les interfaces USB et les modules radio peuvent en effet générer des interférences à haute fréquence. Celles-ci peuvent se propager via les lignes d’alimentation, les lignes de signal ou les plans de masse.

Les perles de ferrite sont utilisées pour atténuer ces composantes parasites. Pour le courant continu, elles se comportent en grande partie comme une connexion à faible impédance. À des fréquences plus élevées, leur impédance augmente. Elles permettent ainsi de réduire les perturbations HF sur les lignes.

Les domaines d’application typiques sont les suivants :

• Alimentation des modules Wi-Fi, Bluetooth et IoT
• Découplage des zones analogiques ou HF sensibles
• Séparation des parties numériques et des parties de circuit sensibles aux interférences
• Réduction des interférences sur les lignes d’alimentation et de signal
• Mesures de CEM dans les configurations compactes de circuits imprimés

Lors du choix d’une perle de ferrite, plusieurs caractéristiques sont à prendre en compte : la forme, le courant nominal, la résistance en courant continu, la courbe d’impédance en fonction de la fréquence et le comportement en cas de prémagnétisation en courant continu. De nombreuses perles de ferrite sont spécifiées avec une impédance à 100 MHz. Cette indication est une valeur comparative qui ne remplace pas la consultation de la fiche technique.

Les perles de ferrite ne remplacent pas un agencement soigné. Elles fonctionnent de manière optimale lorsqu’elles sont associées à un blindage adapté, à des boucles de courant courtes et à un acheminement judicieux de la masse. Si elles sont mal utilisées, les perles de ferrite peuvent également générer des résonances lorsqu’elles sont associées à des condensateurs. C’est pourquoi elles doivent être utilisées de manière ciblée et non systématique.

Pour les circuits radio et IoT simples, elles constituent néanmoins un composant utile pour réduire les perturbations sur les lignes d’alimentation et mieux découpler les différentes parties du circuit.

Techniques de mesure HF pour débutants

Les multimètres simples ne permettent qu’une évaluation limitée des hautes fréquences. Pour de nombreux travaux, il est donc judicieux d’utiliser des instruments de mesure spécialisés.

Une radio logicielle (Software Defined Radio), comme une clé RTL-SDR, permet par exemple de visualiser les spectres et d’afficher les bandes de fréquences occupées. Elle permet ainsi de détecter les sources de brouillage, de comparer les niveaux de signal et d’observer l’activité radio sur différentes bandes.

Pour les mesures d’antennes, un analyseur de réseau vectoriel est utile. Ces appareils, comme le RIGOL DNA808 par exemple, mesurent notamment l’adaptation d’une antenne, affichent les fréquences de résonance et aident à raccourcir ou à optimiser les éléments rayonnants. Ils permettent également de détecter les câbles, connecteurs ou adaptateurs défectueux.

Sont également utiles :

• des résistances de terminaison de 50 ohms
• des atténuateurs
• des adaptateurs SMA ou RP-SMA adaptés
• des câbles coaxiaux courts
• si nécessaire, un compteur de fréquence ou un générateur de signaux

Une résistance de terminaison de 50 ohms permet d’obtenir une charge définie. Les atténuateurs réduisent les niveaux RF de valeurs fixes, par exemple 3 dB, 6 dB, 10 dB ou 20 dB. Ils sont utilisés pour protéger les appareils de mesure, régler les niveaux de manière reproductible ou stabiliser les montages de mesure.

Pour les gammes de fréquences plus élevées, les exigences en matière d’appareils de mesure, de câbles, de connecteurs et d’étalonnage augmentent considérablement. Pour de nombreuses applications d’initiation et de laboratoire, de simples récepteurs SDR, un petit Analyseur de réseau vectoriel, des adaptateurs adaptés, des résistances de terminaison et des atténuateurs suffisent toutefois.

Lorsqu’on travaille avec la technologie radio, il convient de respecter le cadre réglementaire. L’émission de signaux radio est en effet réglementée. Seuls des modules radio homologués, fonctionnant dans des bandes de fréquences autorisées et avec une puissance d’émission admissible, doivent être utilisés.

Perspectives sur la 6G

La 6G est la prochaine génération de téléphonie mobile à venir. De nombreux détails techniques font encore l’objet de recherches et de normalisation. On s’attend notamment à des bandes de fréquences utilisables plus larges, à des systèmes d’antennes perfectionnés, à une automatisation accrue des réseaux, à une localisation plus précise, ainsi qu’à une intégration plus étroite entre la communication, les capteurs et la puissance de calcul.

L’utilisation de fréquences plus élevées constitue l’un des enjeux. Ces fréquences permettent d’obtenir des bandes passantes plus larges, mais imposent des exigences plus strictes en matière de portée, d’antennes, de matériaux, de circuits imprimés, de connecteurs et de configurations de mesure. C’est précisément dans ce domaine que les principes fondamentaux des hautes fréquences restent d’actualité.

Un autre enjeu réside dans l’intégration des capteurs et de la communication. À l’avenir, les réseaux radio pourraient non seulement transmettre des données, mais aussi fournir des informations sur la position, le mouvement ou l’environnement. Cela nécessitera un traitement précis du signal, des canaux radio stables et des systèmes d’antennes adaptés.

Les réseaux non terrestres, tels que les satellites ou les plateformes volant à haute altitude, devraient également interagir davantage avec les réseaux mobiles classiques. Cela concerne avant tout la couverture, la disponibilité et l’architecture du réseau.

Les principes fondamentaux restent les mêmes, mais les possibilités s’élargissent

La technologie HF constitue la base des applications radio modernes. Le fonctionnement fiable d’un système radio dépend de nombreux facteurs, tels que la fréquence, la longueur d’onde, la modulation, l’adaptation de l’antenne, le cheminement des câbles, la compatibilité électromagnétique (CEM) et les techniques de mesure. Il est donc utile pour les développeurs, les étudiants et les makers de comprendre ces principes fondamentaux. En effet, ceux qui maîtrisent aujourd’hui les circuits Wi-Fi, Bluetooth ou IoT sont également bien préparés pour les technologies radio de demain.

Les perles de ferrite, les condensateurs de blocage, un acheminement correct de la masse, des antennes adaptées, les systèmes à 50 ohms et les techniques de mesure HF simples sont des éléments pratiques indispensables à la stabilité des circuits radio et IoT.

La 6G ne modifie pas ces principes fondamentaux. Elle en élargit toutefois les exigences. Des fréquences plus élevées, des systèmes d’antennes plus complexes, une localisation plus précise et des systèmes davantage interconnectés rendent toujours indispensable une solide compréhension de la technologie haute fréquence.

Images : Adobe Stock, reichelt elektronik