Sélectionner et appliquer des antennes pour les dispositifs IoT

La prolifération des dispositifs Internet des objets (IoT) continue de s'accélérer et d'inspirer la conception de produits finis innovants. Cependant, les concepteurs ne doivent pas oublier que, quels que soient la créativité et les efforts consacrés au matériel et au logiciel, l'antenne joue un rôle central. Si l'antenne ne fonctionne pas correctement, les performances du produit sont gravement compromises.

En tant qu'interface entre le dispositif et le réseau sans fil, l'antenne est un élément essentiel du processus de conception des dispositifs IoT. Elle convertit l'énergie électrique en une onde radiofréquence (RF) électromagnétique au niveau de l'émetteur et convertit un signal RF entrant en énergie électrique au niveau du récepteur. Les concepteurs peuvent optimiser les performances d'une application en sélectionnant une antenne qui répond aux paramètres techniques clés. Cependant, les nombreuses options et considérations disponibles peuvent entraîner des cycles de conception plus longs et coûteux.

Cet article résume le rôle d'une antenne dans un dispositif IoT sans fil et décrit brièvement les critères de conception critiques influençant sa sélection. L'article utilise ensuite des exemples d'antennes d'Amphenol pour illustrer les choix appropriés pour un capteur Bluetooth Low Energy (LE) ou Wi-Fi, un dispositif de suivi des actifs IoT avec capacité de positionnement par satellite GNSS, un point d'accès (AP) Wi-Fi et un dispositif IoT LoRa.

Interpréter la fiche technique

Les performances finales d'une antenne dépendent de décisions techniques telles que la position de montage et la conception des réseaux d'adaptation d'impédance. Une mise en œuvre correcte requiert un examen attentif de la fiche technique de l'antenne. Les paramètres clés incluent les suivants :

• Diagramme de rayonnement : définit graphiquement la manière dont l'antenne rayonne (ou absorbe) l'énergie radioélectrique dans l'espace 3D (Figure 1).
• Transfert de puissance maximum : un transfert de puissance correct entre l'antenne et le récepteur se produit lorsque l'impédance de la ligne de transmission (Z₀) est adaptée à celle de l'antenne (Z_a). Une mauvaise adaptation d'impédance augmente les pertes par réflexion (RL). Le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) indique l'adaptation d'impédance entre la ligne de transmission et l'antenne (Tableau 1). Des valeurs ROS élevées entraînent des pertes de puissance importantes. Un ROS inférieur à 2 est généralement acceptable pour un produit IoT.
• Réponse en fréquence : les pertes par réflexion (RL) dépendent de la fréquence radio. Les concepteurs doivent vérifier la réponse en fréquence de l'antenne dans la fiche technique pour s'assurer que les pertes par réflexion sont minimisées à la fréquence de fonctionnement prévue (Figure 2).
• Directivité : mesure la nature directionnelle du diagramme de rayonnement de l'antenne. La directivité maximum est définie comme D_max.
• Rendement (η) : le rapport entre la puissance totale rayonnée (TRP ou P_rad) et la puissance d'entrée (P_in) est calculé à partir de la formule η = (Prad/Pin) * 100 %.
• Gain : décrit la quantité d'énergie transmise dans la direction du rayonnement de crête. Il est généralement référencé à une antenne isotrope avec une désignation de dBi. Il est calculé à partir de la formule Gain_max = η * D_max.

Figure 1 : Les diagrammes de rayonnement représentent graphiquement la manière dont l'antenne rayonne ou absorbe l'énergie radio dans l'espace 3D. Les fiches techniques indiquent généralement l'étendue maximum dans les plans XY et YZ lorsque l'antenne est montée de la manière prévue. (Source de l'image : Amphenol)

Tableau 1 : Le ROS indique l'adaptation d'impédance entre la ligne de transmission et l'antenne. Un ROS inférieur à 2 est généralement acceptable pour un produit IoT. (Source du tableau : Steven Keeping)

Figure 2 : Le rapport d'ondes stationnaires en tension et les pertes par réflexion dépendent de la fréquence. Les pertes par réflexion doivent être minimisées à la fréquence de fonctionnement prévue. (Source de l'image : Amphenol)

Améliorer les performances

Une antenne aux performances médiocres limite la quantité d'énergie électrique transformée en énergie rayonnée au niveau de l'émetteur et la quantité d'énergie récupérée à partir des signaux RF entrants au niveau du récepteur. De mauvaises performances à l'une ou l'autre extrémité réduisent la portée de la liaison sans fil.

Le principal facteur affectant les performances de l'antenne est l'impédance. Une désadaptation importante entre l'impédance de l'antenne (qui est liée à la tension et au courant à son entrée) et l'impédance de la source de tension alimentant l'antenne entraîne un transfert d'énergie médiocre.

Un circuit d'adaptation d'impédance bien conçu minimise le ROS et les pertes de puissance qui en découlent en adaptant l'impédance des sources de puissance de l'émetteur avec celle de l'antenne. L'impédance est généralement de 50 ohms (Ω) pour un produit IoT basse consommation.

La position de l'antenne influence également considérablement la puissance d'émission et la sensibilité de réception du produit final. Pour une antenne interne, les instructions de conception recommandent un placement en haut du dispositif IoT sur le bord du circuit imprimé et aussi loin que possible des autres composants susceptibles de générer des interférences électromagnétiques (EMI) pendant le fonctionnement. Les composants d'adaptation d'impédance constituent une exception, car ils sont placés à proximité de l'antenne par nécessité. Les plots et les pistes de circuit imprimé reliant l'antenne au reste du circuit doivent être les seuls conducteurs en cuivre dans une zone de dégagement définie (Figure 3).

Figure 3 : Une antenne montée sur un circuit imprimé doit être placée près du bord de la carte. L'antenne doit également être placée à l'écart des autres composants (à l'exception de ceux utilisés pour le circuit d'adaptation d'impédance) en intégrant une zone de dégagement. (Source de l'image : Amphenol)

(Pour plus d'informations sur les instructions de conception d'antenne, voir l'article relatif à l'utilisation d'antennes embarquées multibandes pour réduire l'espace, la complexité et les coûts dans les conceptions IoT.)

Types d'antennes

La spécification de l'antenne est une étape essentielle du processus de conception des dispositifs IoT. L'antenne doit être optimisée pour la bande RF de l'interface sans fil cible, par exemple, NB-IoT pour plusieurs bandes entre 450 mégahertz (MHz) et 2200 MHz, LoRa pour 902 à 928 MHz en Amérique du Nord, Wi-Fi pour 2,4 gigahertz (GHz) et 5 GHz et Bluetooth LE pour 2,4 GHz.

Les antennes utilisent différents concepts électriques, par exemple antennes unipolaires, dipôles, cadres, IFA et PIFA. Chaque type convient à une application particulière.

Il existe également des antennes asymétriques et différentielles. Le type asymétrique est déséquilibré, tandis que les antennes différentielles sont équilibrées. Les antennes asymétriques reçoivent ou transmettent un signal référencé à la masse et l'impédance d'entrée caractéristique est typiquement de 50 Ω. Cependant, étant donné que de nombreux circuits intégrés RF sont dotés de ports RF différentiels, un réseau de transformation est souvent nécessaire si une antenne asymétrique est utilisée. Ce réseau symétriseur transforme le signal d'équilibré à non équilibré.

Une antenne différentielle effectue des transmissions en utilisant deux signaux complémentaires, chacun dans son propre conducteur. Étant donné que l'antenne est équilibrée, aucun symétriseur n'est requis lorsque l'antenne est utilisée avec des circuits intégrés RF dotés de ports RF différentiels.

Enfin, les antennes sont disponibles en plusieurs facteurs de forme, notamment carte à circuit imprimé, monopuce ou patch, fouet externe et filaire. La Figure 4 illustre quelques exemples d'applications.

Figure 4 : Différentes antennes sont disponibles pour s'adapter à diverses applications IoT. (Source de l'image : Amphenol)

Adapter l'antenne à l'application

L'application et le facteur de forme du produit déterminent le choix final de l'antenne. Par exemple, si un produit IoT est limité en espace, une antenne de circuit imprimé peut être intégrée directement dans les circuits de la carte. Ces antennes constituent un excellent choix pour les applications 2,4 GHz telles que les capteurs Bluetooth LE ou Wi-Fi dans les dispositifs de maison intelligente, notamment l'éclairage, les thermostats et les systèmes de sécurité. Elles offrent des performances RF fiables dans une architecture extra-plate. Cependant, les antennes de circuits imprimés sont difficiles à concevoir. Une alternative consiste à se procurer l'antenne de circuit imprimé auprès d'un fournisseur commercial. Elle peut ensuite être fixée au circuit imprimé à l'aide d'un support adhésif.

Un exemple d'antenne de circuit imprimé est l'antenne RF Wi-Fi ST0224-10-401-A d'Amphenol. L'antenne offre un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans les bandes de 2,4 à 2,5 GHz et de 5,15 à 5,85 GHz. L'antenne mesure 30 millimètres (mm) x 10 mm x 0,2 mm et a une impédance de 50 Ω. Ses pertes par réflexion sont inférieures à -10 décibels (dB) pour les deux gammes de fréquences, et son gain de crête est de 2,1 dBi dans la bande 2,4 GHz et de 3,1 dBi dans la bande 5 GHz. Son rendement est de 77 % et 71 %, respectivement (Figure 5).

Figure 5 : L'antenne de circuit imprimé Wi-Fi ST0224-10-401-A est efficace dans les bandes 2,4 GHz et 5 GHz. (Source de l'image : Amphenol)

L'antenne monopuce constitue une autre option pour les produits IoT à espace restreint. Les équipements automatisés peuvent monter directement ce composant compact sur une carte à circuit imprimé. L'antenne convient aux applications IoT sans fil basées sur Bluetooth LE ou Wi-Fi. Les principaux avantages d'une antenne monopuce sont les économies d'espace, les coûts de fabrication réduits et un processus de conception simplifié.

Comme décrit ci-dessus, les performances d'une antenne monopuce sont influencées par des facteurs tels que la configuration du circuit imprimé et les composants environnants, mais les progrès des technologies d'antennes ont permis de créer des dispositifs très efficaces. Les antennes monopuces conviennent à diverses applications, qu'il s'agisse de smartphones, de tablettes, de systèmes de maison intelligente et de capteurs industriels.

Un exemple est l'antenne monopuce 2,4 GHz à montage en surface ST0147-00-011-A d'Amphenol. L'antenne offre un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans la bande de fréquences de 2,4 GHz à 2,5 GHz (Figure 6). L'antenne mesure 3,05 mm x 1,6 mm x 0,55 mm et a une impédance de 50 Ω. Ses pertes par réflexion sont inférieures à -7 dB, son gain de crête est de 3,7 dBi et son rendement moyen est de 80 %.

Figure 6 : L'antenne monopuce à montage en surface ST0147-00-011-A est compacte et présente un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans le plan XY. (Source de l'image : Amphenol)

Comme les antennes de circuit imprimé, les antennes patch sont compactes et peuvent être directement fixées sur la carte. Une application typique est une antenne pour un dispositif de suivi des actifs ou d'autres dispositifs dotés d'une capacité GNSS. Les antennes patch GNSS incluent un élément patch sur un substrat diélectrique. Le haut rendement garantit que l'antenne capte les faibles signaux GNSS provenant de plusieurs satellites.

L'antenne patch GNSS passive ST0543-00-N04-U d'Amphenol est un exemple. Elle fonctionne dans les bandes de fréquences 1,575 GHz et 1,602 GHz. L'antenne mesure 18 mm x 18 mm x 4 mm et a une impédance de 50 Ω. Ses pertes par réflexion sont inférieures à -10 dB pour les deux gammes de fréquences, et son gain de crête est de -0,5 dBi dans la bande 1,575 GHz et de 1,0 dBi dans la bande 1,602 GHz. Son rendement est de 80 % et 82 %, respectivement.

Les antennes fouets externes, telles que l'antenne d'un point d'accès Wi-Fi, sont montées à l'extérieur des dispositifs IoT pour optimiser le fonctionnement radio. Une antenne fouet externe étend la portée du signal, améliore la qualité du signal et surmonte les obstacles ou les interférences. Elles sont utiles dans les environnements où les signaux sont faibles ou obstrués, tels que ceux atténués par les murs, les plafonds et les meubles d'une maison. Des modèles de fouets droits et pivotants, chacun avec des connexions d'interface RF standard telles que SMA, RP-SMA et Type N, sont disponibles.

Un exemple est l'antenne bâton RF SMA 2,4 GHz et 5 GHz ST0226-30-002-A d'Amphenol. L'antenne est une bonne solution pour les points d'accès Wi-Fi et les décodeurs. Elle offre un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans les bandes de fréquences de 2,4 GHz à 2,5 GHz et de 5,15 GHz à 5,85 GHz. L'antenne mesure 88 mm x 7,9 mm de diamètre et a une impédance de 50 Ω. Ses pertes par réflexion sont inférieures à -10 dB pour les deux gammes de fréquences, et son gain de crête est de 3,0 dBi dans la bande 2,4 GHz et de 3,4 dBi dans la bande 5 GHz. Son rendement est de 86 % et 75 %, respectivement. L'antenne est disponible avec un connecteur mâle SMA ou RP-SMA (Figure 7).

Figure 7 : L'antenne fouet externe ST0226-30-002-A pour points d'accès Wi-Fi est disponible avec un connecteur mâle SMA ou RP-SMA. (Source de l'image : Amphenol)

Les antennes filaires hélicoïdales constituent une option simple et économique pour les applications sub-GHz telles que les dispositifs IoT LoRa fonctionnant dans la bande de fréquence 868 MHz. Les antennes sont généralement soudées directement sur le circuit imprimé et offrent de bonnes performances. Les inconvénients incluent l'encombrement, en particulier lors du fonctionnement à basses fréquences, et le rendement relativement faible par rapport à certaines alternatives d'antenne.

Le ST0686-10-N01-U d'Amphenol est un exemple d'antenne RF 862 MHz (Figure 8). Cette antenne filaire hélicoïdale fonctionne dans la bande de fréquences de 862 MHz à 874 MHz et a une impédance de 50 Ω. L'antenne permet le montage traversant par soudure avec une hauteur maximum de 38,8 mm. Elle offre des pertes par réflexion inférieures à -9,5 dB, un gain de crête de 2,5 dBi et un rendement moyen de 58 %.

Figure 8 : L'antenne filaire hélicoïdale ST0686-10-N01-U constitue une bonne option pour les applications IoT LoRa. (Source de l'image : Amphenol)

Conclusion

Les performances radio des dispositifs IoT sans fil dépendent du choix de l'antenne. Les concepteurs doivent donc choisir avec soin parmi une large gamme de conceptions d'antennes de fournisseurs tels qu'Amphenol pour répondre au mieux aux besoins des applications. Les fiches techniques sont essentielles lors de la sélection, mais le respect des instructions de conception établies garantit les meilleures performances sans fil.