Optimiser l'intégration des antennes dans les dispositifs ISM LPWA

L'expansion continue de l'Internet des objets (IoT) dans les dispositifs industriels, grand public et médicaux, ainsi que l'émergence des villes et des bâtiments intelligents, entraînent une augmentation rapide de l'utilisation des réseaux sans fil étendus basse consommation (LPWA, Low Power Wide Area). Cela est particulièrement vrai dans les bandes de radiofréquences (RF) industrielles, scientifiques et médicales (ISM) de 915 MHz aux États-Unis, 868 MHz et 169 MHz en Europe et 433 MHz en Asie, qui prennent en charge des protocoles sans fil tels que LoRa, Neul, SigFox, Zigbee et Z-Wave.

Les dispositifs LPWA sont de plus en plus petits et requièrent des antennes économiques et compactes offrant des performances supérieures. Les problèmes de plan de masse d'antenne peuvent être particulièrement gênants dans les bandes ISM de 868 MHz et 915 MHz. Ils peuvent être résolus avec des circuits supplémentaires, une intégration accrue des dispositifs et un réglage plus précis de la fréquence, ce qui augmente le temps et les coûts de développement. Les concepteurs ont besoin d'antennes qui réduisent les problèmes de plan de masse. De plus, les dispositifs LPWA sont souvent alimentés par batteries et exigent un rendement énergétique maximum. La sélection et l'intégration de l'antenne sont des aspects critiques d'une conception efficace. Une solution d'antenne qui n'est pas optimale peut réduire la durée de vie des batteries et affecter les performances globales du système.

Un bilan de liaison optimisé est l'une des clés d'une interface de communication sans fil fiable et efficace. Le choix et l'intégration de l'antenne ont un impact important sur le bilan de liaison. Cependant, la conception ou la sélection d'une antenne efficace et performante qui répond à la fois aux préoccupations de bilan de liaison et de plan de masse est un processus complexe. Les spécifications d'antenne ayant un impact sur le bilan de liaison incluent l'impédance, les pertes par réflexion, le rapport d'ondes stationnaires en tension, le gain, le diagramme de rayonnement, et plus. L'identification d'antennes faciles à intégrer, compactes et hautes performances qui minimisent les problèmes de plan de masse peut réduire considérablement le temps d'ingénierie et améliorer les performances globales du système.

Cet article décrit un modèle de bilan de liaison de base, passe en revue les principales spécifications d'antennes affectant le bilan de liaison, et présente des exemples d'antennes de Molex permettant de résoudre les problèmes de plan de masse et contribuant à optimiser les bilans de liaison dans les dispositifs LPWA.

Bilan de liaison de base

Le bilan de liaison dans un système sans fil mesure l'énergie RF efficace qui atteint le récepteur. L'équation part de la puissance émise en décibels-mètres (dBm), ajoute les gains éventuels en décibels (dB), soustrait les pertes, également en dB, et arrive à la puissance reçue en dBm. Dans une conception pratique, il existe de nombreux facteurs contribuant aux gains et aux pertes.

Approfondir les bilans de liaison

Les performances de l'antenne sont le seul facteur ayant un impact sur les gains et les pertes dans un bilan de liaison. Le rendement, le gain et le diagramme de rayonnement sont trois aspects importants des performances de l'antenne, et ils sont souvent mesurés avec une chambre de test OTA (Over-the-Air) (Figure 1). Les autres facteurs affectant le bilan de liaison sont les pertes par réflexion (le paramètre S11) et le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS).

Figure 1 : Le rendement, le gain et le diagramme de rayonnement de l'antenne sont mesurés avec une chambre de test OTA. (DUT dans l'image désigne le dispositif testé.) (Source de l'image : Molex)

Le rendement de l'antenne détermine l'émissivité d'une antenne. Le rendement moyen est souvent utilisé, mais le rendement n'est pas un chiffre unique. Il s'agit d'une courbe qui peut être plus ou moins plate, selon l'antenne spécifique prise en compte (Figure 2). Souvent, une antenne dont la courbe de rendement est plus plate aura un rendement maximum plus faible qu'une antenne avec une courbe de rendement plus pentue.

Figure 2 : Les courbes de rendement des antennes peuvent varier considérablement : l'antenne de gauche a une courbe de rendement plus plate, mais celle de droite a un rendement de crête supérieur d'environ 10 % à 915 MHz. (Source de l'image : Molex)

Tout comme le rendement, le gain d'antenne peut être mesuré en tant que valeur moyenne ou valeur de crête/maximum. À une fréquence donnée, le gain moyen est mesuré sur tous les angles de l'espace tridimensionnel, tandis que le gain maximum correspond à un seul point de fonctionnement. En général, plus le gain moyen est élevé, mieux c'est.

Le diagramme de rayonnement d'une antenne est un facteur important pour déterminer le gain. Une antenne théorique qui rayonne la même énergie dans toutes les directions est appelée une antenne isotrope et a un gain de 0 dB (unité). Les antennes réelles, même les conceptions dites omnidirectionnelles, ont des diagrammes de rayonnement non isotropes et peuvent être plus ou moins directionnelles, mesurées dans des plans 3D (Figure 3). Une antenne avec un gain de 3 dB est deux fois plus efficace dans une direction donnée qu'une antenne isotrope. Elle double la puissance de l'émetteur, ou la sensibilité du récepteur, dans cette direction spécifique.

Figure 3 : Les diagrammes de rayonnement diffèrent selon la conception des antennes et peuvent être importants dans les calculs de bilan de liaison. Ces deux antennes sont spécifiées avec des diagrammes de rayonnement omnidirectionnels. (Source de l'image : Molex)

La conception de l'antenne et l'environnement affectent le diagramme de rayonnement. Les mesures typiques de la fiche technique utilisent un environnement en espace libre sans interférence environnante. Dans les implémentations réelles, le gain de crête sera réduit de 1 à 2 décibels par rapport à l'isotrope (dBi) puisque le diagramme de rayonnement sera modifié en raison des composants environnants.

Les pertes par réflexion (S11) et le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) sont des mesures associées de la quantité d'énergie réfléchie par l'antenne vers le circuit RF ; les valeurs les plus faibles sont les meilleures (Figure 4). Des valeurs S11 ≤ -6 dB ou ROS ≤ 3 sont souvent considérées comme des niveaux de performances minimum acceptables. Si S11 = 0 dB, alors toute la puissance est réfléchie, et aucune n'est rayonnée. Ou, si S11 = -10 dB, lorsque 3 dB de puissance sont délivrés à l'antenne, -7 dB est la puissance réfléchie. L'antenne utilise le reste de la puissance.

Figure 4 : La perte par réflexion de l'antenne haut rendement (à droite) est d'environ -14 dB à 915 MHz, tandis que la perte par réflexion de l'antenne à rendement plus faible avec la courbe de rendement plus plate est d'environ -10 dB à 915 MHz. (Source de l'image : Molex)

Le ROS est une fonction du coefficient de réflexion. Comme pour les pertes par réflexion, un ROS plus petit indique une meilleure antenne. La valeur ROS minimum est de 1,0, où aucune puissance n'est réfléchie par l'antenne. L'adaptation d'impédance peut être utilisée pour minimiser les valeurs S11 et ROS. L'adaptation d'impédance consiste à modifier la ligne de transmission entre l'antenne et le circuit RF pour améliorer le transfert d'énergie maximum. Une désadaptation d'impédance fait qu'une partie de la puissance RF n'est pas acceptée par l'antenne. Une adaptation exacte entre l'impédance de la ligne de transmission et l'impédance de l'antenne fait que toute la puissance RF est reçue par l'antenne.

Certaines antennes ont une impédance de 50 Ω et ne nécessitent pas de réseau d'adaptation. La plupart des antennes requièrent un réseau d'adaptation d'impédance dans la ligne de transmission pour optimiser les performances de l'antenne. Les réseaux d'adaptation sont généralement requis avec les antennes qui prennent en charge plusieurs bandes de fréquences. Un réseau d'adaptation peut être constitué de diverses combinaisons de condensateurs, d'inductances ou de résistances si nécessaire.

Améliorer les performances des antennes

Une antenne de base consiste en un conducteur d'une longueur donnée, mais des éléments supplémentaires peuvent être ajoutés pour améliorer les performances de l'antenne. La technologie d'antenne MobliquA™ de Molex, qui inclut des technologies d'amélioration de la bande passante, est un exemple (Figure 5). La technologie MobliquA est conçue pour améliorer la plage de fréquences sur laquelle les pertes par réflexion sont acceptables ; on parle souvent de « largeur de bande d'impédance ». Cette technologie peut améliorer la largeur de bande d'impédance de 60 à 70 % sans compromettre le rendement de rayonnement ni augmenter la taille de l'antenne. Une antenne ISM conçue pour 868 MHz et 915 MHz avec la technologie MobliquA peut présenter jusqu'à 75 % de volume en moins que les conceptions conventionnelles et éliminer le recours à des circuits coûteux et au réglage de fréquence requis pour résoudre les problèmes de dépendance du plan de masse.

Figure 5 : La technologie MobliquA de Molex est conçue pour améliorer la largeur de bande d'impédance et offrir un haut degré d'immunité à l'insertion d'objets métalliques dans le volume de l'antenne. (Source de l'image : Molex)

La technologie MobliquA permet d'utiliser des pièces mises à la terre ou découplées RF, comme un boîtier de connecteur mis à la terre. Elle offre une bonne immunité contre l'insertion de pièces métalliques dans le volume de l'antenne. Ses techniques d'alimentation uniques combinées à une mise à la terre directe des éléments d'antenne offrent une protection améliorée contre les décharges électrostatiques (DES) pour le circuit d'entrée RF.

Intégration des antennes

Bien que toutes les spécifications électriques mentionnées ci-dessus constituent des aspects importants de l'intégration de l'antenne, il faut également tenir compte de la connexion mécanique et de l'intégration de l'antenne dans le système. Il existe de multiples possibilités. Par exemple, certaines antennes sont conçues pour être soudées au système, et d'autres incluent un câble coaxial et un connecteur fixés au système. Les deux sections suivantes présentent certaines des spécifications pour chaque antenne omnidirectionnelle.

Antenne ISM flexible avec câble coaxial et connecteur

Pour les applications nécessitant une antenne ISM double bande 868/915 MHz, les concepteurs peuvent se tourner vers le modèle 2111400100 de Molex (Figure 6). Cette antenne unipolaire mesure 38 mm x 10 mm x 0,1 mm, elle est fabriquée à partir d'un matériau polymère flexible et elle est dotée d'un câble micro-coaxial de 100 mm de long avec un diamètre extérieur de 1,13 mm et un connecteur U.FL compatible MHF. Elle est adhésive et se fixe sur toute surface non métallique. Elle peut supporter 2 W de puissance RF et a une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C. Les autres antennes de cette série ont des options de longueur de câble de 50 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm et 300 mm, et des longueurs personnalisées peuvent être fabriquées.

Figure 6 : Cette antenne ISM double bande est flexible et offre un montage adhésif. (Source de l'image : Molex)

Les principales caractéristiques incluent :

• Rendement : > 55 % à 868 MHz, > 60 % à 902 MHz
• Gain de crête : 0,3 dBi à 868 MHz, 1,0 dBi à 902 MHz
• Diagramme de rayonnement : omnidirectionnel
• Pertes par réflexion (S11) : < -5 dB

L'antenne ISM en céramique haut rendement se soude au circuit imprimé

Lorsque le rendement doit être plus élevé, les concepteurs peuvent utiliser une antenne céramique 2081420001 spécialement conçue pour les applications ISM (Figure 7). Différents réseaux d'adaptation peuvent être utilisés dans deux bandes de fréquences différentes : 868-870 MHz et 902-928 MHz. Répertoriée pour un fonctionnement de -40°C à +125°C, l'antenne mesure 9 mm x 3 mm x 0,63 mm.

Figure 7 : Avec différents réseaux d'adaptation, cette antenne en céramique peut être utilisée dans deux bandes de fréquences différentes : 868-870 MHz et 902-928 MHz. (Source de l'image : Molex)

Les principales caractéristiques incluent :

• Rendement : 70 % à 868 MHz, 65 % à 902 MHz
• Gain de crête : 1,5 dBi à 868 MHz, 1,8 dBi à 902 MHz
• Diagramme de rayonnement : omnidirectionnel
• Pertes par réflexion (S11) : < -10 à 868 MHz, < -5 à 902 MHz

Résumé

L'optimisation et l'intégration des antennes dans les applications ISM LPWA, y compris les protocoles IoT LoRa, Neul, SigFox, Zigbee et Z-Wave, est une tâche importante et complexe. L'optimisation du bilan de liaison est nécessaire pour garantir de bonnes performances sans fil et une longue durée de vie des batteries. Cela implique de nombreux compromis sur les spécifications de fonctionnement électrique et le développement d'un réseau d'adaptation d'impédance efficace. Le processus de sélection d'antenne doit également tenir compte de l'environnement de fonctionnement et des exigences mécaniques et d'interconnexion du dispositif.