Résumé de la présentation

Cette présentation décrit les trois modèles d'antennes 5G Massive MIMO déployés en France en 2025. Elle explique leur fonctionnement, leurs caractéristiques techniques, ainsi que les paramètres à prendre en compte pour estimer l'exposition aux ondes qu'elles génèrent.

Des antennes avec deux types de faisceaux

Les antennes 5G à faisceau orientable émettent deux types de faisceaux :

• Faisceaux Broadcast : larges (peu concentrés) et de faible puissance, ils servent à la synchronisation et à la connexion initiale des téléphones,

• Faisceaux Trafic : étroits (très concentrés) et puissants, ils sont dirigés dynamiquement vers chaque utilisateur afin d'optimiser le débit et la qualité de la communication. Ces faisceaux sont ceux auxquels on s'intéresse dans les simulations des expositions.

L'axe du faisceau trafic est orientable électriquement de façon quasi-instantanée. Il peut se déplacer dans un cône aplati centré sur l'axe de référence de l'antenne (appelé "boresight" en anglais). Cet axe de référence est défini par son azimut et par son tilt. Ces deux paramètres sont fournis dans les Dossiers d'Information Mairie (DIM).

Le cône aplati dans lequel l'axe du faisceau trafic peut se déplacer (la zone balayée par l'axe) présente des dimensions variables selon le modèle d'antenne 5G 3500 MHz.
Le déport angulaire maximal de l'axe du faisceau trafic par rapport à l'axe de référence est d'environ plus ou moins 60 degrés sur le plan horizontal et plus ou moins 15 degrés sur le plan vertical pour les antennes Huawei et Ericsson.  Il est d'environ plus ou moins 45 degrés sur le plan horizontal et plus ou moins 7 degrés sur le plan vertical pour les antennes Nokia.

Plus l'axe du faisceau trafic se rapproche des limites du cône aplati et plus la puissance électromagnétique maximale que l'antenne 5G 3500 MHz peut émettre dans la direction de l'axe du faisceau diminue. Ces antennes ont en particulier un débattement maximal vertical de leur axe par rapport à l'axe de référence assez limité. La puissance électromagnétique envoyée par une antenne 5G 3500 MHz en contrebas juste devant elle (au pied de l'antenne) est donc en général assez faible. 

Les trois antennes étudiées

Trois modèles dominent le marché français :

• Huawei AAU5639 (progressivement remplacée par des antennes Ericsson ou Nokia),

• Ericsson AIR 6449,

• Nokia AirScale MAA.

Leur principal rôle est de concentrer l’énergie du signal dans la direction des utilisateurs via le beamforming, tout en limitant l’exposition globale.

Spécificités techniques

• Huawei et Ericsson offrent un balayage horizontal large (±60°) et vertical relativement limité (±15° pour Huawei, -7° à +19° pour Ericsson).

• Nokia a un pré-tilt électrique intégré de 6° et un balayage plus limité, ±45° horizontal et ±7° vertical.

• La largeur du lobe principal est d’environ 12° horizontal et de 6° vertical pour un faisceau trafic centré.
  
  

Atténuation et déports

L’efficacité d’un faisceau diminue lorsque la direction du point de calcul s’éloigne de l’axe central (boresight).
Des courbes et tables d’atténuation précisent la perte de gain en fonction du déport horizontal et vertical, indispensables pour les simulations d’exposition.
Exemple : une atténuation d’environ 3 dB à 60° de déport horizontal pour Huawei et Ericsson.

Tilts observés dans les dossiers DIM

L’étude de 43 dossiers DIM montre des pratiques différentes selon les opérateurs :

• Free : tilt interne fixe de 6° pour Nokia.

• SFR : 6° avec Huawei, parfois 0–5° sur sites modernisés.

• Bouygues : généralement 0°, réglages électroniques ultérieurs.

• Orange : 3–4°, visant légèrement le pied des immeubles.
  
  

Simulation des expositions

Pour estimer l’exposition générée par ces antennes, plusieurs facteurs sont additionnés en décibels :

• Atténuation statistique (13,5 dB) reflétant le temps moyen d’éclairage d’un point,

• Facteur TDD (1,25 dB) lié à l’alternance émission/réception,

• Atténuations dues aux déports horizontal et vertical de la direction "antenne - Point de calcul" par rapport à l'axe de référence,

• Atténuation par les vitrages (2 dB simple, 3,8 dB double).

Opérateurs et type d'antennes 5G 3500 MHz en 2025

• Bouygues Telecom et Orange utilisent des antennes  Ericsson AIR,

• FREE et SFR utilisent des antennes Nokia AirScale.
  
  

Conclusion

Les antennes 5G Massive MIMO permettent un contrôle précis du signal et une meilleure capacité réseau grâce au beamforming.
Cependant, leur complexité impose une modélisation rigoureuse pour évaluer correctement l’exposition du public.
Cette présentation fournit les données techniques nécessaires pour des simulations fiables et pour comprendre les différences entre les équipements Huawei, Ericsson et Nokia.

Utilitaire pour évaluer les Atténuations dues aux déports horizontal et vertical 

Un utilitaire disponible en ligne sur le site permet, à partir du déport horizontal et du déport vertical à l'axe de référence de l'antenne 5G, de calculer automatiquement l'atténuation due au déport à prendre en compte dans les Simulations réalisées avec la Calculette Radiofréquences LITE. Cette atténuation doit être recopiée dans le Module 9 de la Calculette.

Vidéo illustrant le fonctionnement d'une antenne 5G à faisceau orientable

🔍 Simulation du fonctionnement d'une antenne 5G à commande de phase
 

👉 La vidéo ci-dessous illustre le principe de fonctionnement d’une antenne 5G à commande de phase, dans un cas simplifié où l’antenne ne comporte que 8 éléments radiatifs identiques (représentés par les symboles "Y") alignés sur une ligne.
En réalité, les antennes 5G modernes intègrent beaucoup plus d’éléments, généralement organisés en rangées et colonnes (par exemple, 8 rangées × 8 colonnes).

Chaque élément est piloté individuellement, en ajustant :

• son gain, c’est-à-dire l’amplitude de l’onde qu’il émet ;

• sa phase, c’est-à-dire le décalage temporel (retard ou avance) de son émission par rapport à l’élément situé le plus à gauche.

Ces deux réglages permettent de former un faisceau directionnel (beamforming) :

• Les gains influent sur le rapport entre le lobe principal et les lobes secondaires, et modifient également la largeur du lobe principal.

• Les phases déterminent l’orientation de l’axe du lobe principal. Quand tous les éléments radiatifs sont tous en phase, le faisceau est dirigé perpendiculairement à la ligne d'élements.

👉 On observe que la largeur du lobe principal varie selon son orientation :

• Elle est minimale lorsque le faisceau est dirigé perpendiculairement à la ligne d’éléments.

• Elle augmente lorsque le faisceau est orienté vers les bords du secteur couvert par l’antenne.
  
  

📽️ Cette animation est extraite de la vidéo “An Introduction to Beamforming” publiée sur la chaîne YouTube de MATLAB. Les commentaires en anglais de la vidéo originale ont été modifiés et sont écrits en français.

Simulateur de BeamForming (8 antennes colonnes)

👉 Les huit antennes sont disposées côte à côte pour former une rangée linéaire. Le diagramme de rayonnement est affiché en vue de dessus. Les directions vont de 0° (direction du Nord) à 360°.

✅ Utilisez les curseurs situés sous chaque antenne pour modifier le gain et la phase du signal émis par celle-ci.
Modifier la phase revient à introduire un retard ou une avance sur le signal transmis.

✅ Utilisez les curseurs Déphasage progressif et Taper progressif pour :

• orienter le faisceau principal dans une direction donnée (contrôle du déphasage),

• réduire l’intensité des lobes secondaires (taper = pondération des amplitudes).

👉 On observe que la largeur du lobe principal (angle d’ouverture à –3 dB) augmente lorsque le faisceau est dirigé latéralement (hors de l’axe principal à 0°). Le faisceau devient alors moins concentré.

✅ Le simulateur calcule automatiquement l’angle d’ouverture à –3 dB du lobe principal en fonction des gains et phases appliqués aux 8 antennes. La valeur est affichée sous les curseurs.

👉 L’activation d’un taper efficace permet de réduire les lobes secondaires, mais au prix d’un élargissement du lobe principal.

Calcul des déphasages pour orienter l'antenne 5G

👉 Renseigner dans le module ci-dessous la direction souhaitée pour l'axe du lobe principal de l'antenne

✅ Utilisez la commande "Calculer" pour obtenir le déphasage à appliquer à chaque antenne

✅ Utilisez la commande "Appliquer" pour recopier les 8 déphasages dans le module qui dessine le diagramme de rayonnement

• Le diagramme de rayonnement est mis à jour automatiquement,

• Il est ainsi possible d'orienter précisement la direction du lobe principal de l'antenne 5G à faisceau orientable.

Petits Exercices avec le Beam forming

👉 Exercice 1 : – Limites de balayage du faisceau orientable dans le plan horizontal

Pour éviter les interférences, l’énergie des lobes secondaires doit toujours rester au moins 12 dB en dessous de celle du lobe principal.
Vérifiez que cette condition est respectée tant que l’axe du lobe principal ne s’écarte pas de plus de + / - 50° par rapport à l’axe de référence, ici orienté vers le nord (0°). Avec ces contrainte, l'axe du lobe principal de l'antenne 5G ne balaye que le secteur [310°, 50°]. En dehors de ce secteur, l'énergie émise par l'antenne proviendra soit du flanc du lobe principal soit de l'un des lobes secondaires. Elle sera donc beaucoup atténuée.

Paramétrage de l’antenne : Espacement des antennes d/λ = 0,5 et Déphasage progressif activé.

👉 Exercice 2 – Orienter un faisceau dans une direction donnée

Pour orienter le lobe principal dans une direction caractérisée par un azimut θ, le déphasage progressif Δϕ à appliquer entre deux antennes successives de l'antenne 5G est donné par la formule suivante : Δϕ  = −2π (d / λ​) sin(θ). Dans cette formule : Δϕ  et θ sont des angles en radian et d/λ est l'espacement entre antennes, exprimé en fraction de longueur d’onde.

Quand les 2 angles sont donnés en degrés, la relation devient Δϕ (degrés)​= −360 (d/λ​) sin(π θ(degrés) / 180​)

On souhaite orienter le faisceau dans la direction 30°. Les paramètres sont : Espacement d/λ = 0,5  et Déphasage progressif désactivé

📐 Calcul à effectuer

Calculer le déphasage Δϕ en degrés à l’aide de la formule ci-dessus (ou utiliser le calculateur).  Affecter ensuite à l'aide des curseurs les déphasages suivants : 0°, Δϕ , 2Δϕ  ,3Δϕ  ,…, 7Δϕ aux antennes numérotées de 1 à 8 . Vérifier que le lobe principal de l'antenne 5G est bien orienté dans la direction 30° souhaitée.

👉 Exercice 3 – Tirer parti des nuls du diagramme de rayonnement

L’antenne a-t-elle toujours intérêt à orienter l’axe de son lobe principal dans la direction du téléphone en vue directe avec lequel elle échange des données ? Pas nécessairement.

Le lobe principal ainsi que les lobes secondaires d'une antenne sont encadrés par des directions dans lesquelles l’atténuation est très forte. Ces directions correspondent aux nuls du diagramme de rayonnement. Dans ces zones angulaires, l’énergie rayonnée ou reçue est quasiment nulle.

En présence d’une interférence forte provenant d’une autre direction que celle du téléphone ciblé, l’antenne peut avoir intérêt à décaler légèrement l’axe de son lobe principal, de façon à placer un nul dans la direction de l’interférence.
Ce compromis permet de réduire significativement le niveau d’interférence reçue et ainsi d’optimiser le rapport signal sur bruit, ce qui améliore la qualité de la liaison avec le téléphone utile. 

Calcul des angles de déport à l'axe de référence d'une antenne 5G 3500 MHz

Les deux angles (plan horizontal et plan vertical) peuvent être facilement obtenus dans le module Géométrie de la Calculette Radiofréquences LITE.

Le module "Géométrie Antenne - Point de calcul" de la page du site dédiée aux Calculs en ligne permet aussi de les évaluer :  Lien vers le module de calcul en ligne.

Calcul des atténuations liées au déport du Point de calcul à l'axe de référence - Antenne 5G 3500 MHz

Il est indispensable lors des simulations des expositions générées par les antennes 5G 3500 MHz de prendre en compte l'atténuation liée au déport du Point de calcul à l'axe de référence de l'antenne. Plus ce déport est grand et plus la puissance émise par l'antenne dans la direction du Point de calcul est faible. 

Connaissant l'opérateur de l'antenne 5G et les déports horizontaux et verticaux à l'axe de référence, il est possible d'évaluer l'atténuation à prendre en compte en la lisant sur les diagrammes de rayonnement de l'antenne. 

Le module "Calcul des Atténuations liées aux déports à l'axe de référence - Antenne 5G 3500 MHz" de la page du site dédiée aux calculs en ligne permet d'évaluer ces Atténuations : Lien vers le module de calcul en ligne. 

Calcul de l'Exposition générée par une antenne 5G 3500 MHz à faisceau orientable

👉 Première option : utiliser la Calculette Radiofréquences LITE pour les calculs, l'atténuation liée au déport à l'axe de référence du Point de calcul étant obtenue avec le module en ligne cité au dessus. 

👉 Deuxième option : utiliser le Calculateur en ligne "Calcul des Expositions - Antennes 5G 3500 MHz", lien vers le module. L'atténuation liée au déport à l'axe de référence du Point de calcul est obtenue encore une fois avec le module en ligne cité au dessus.