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Mis à jour le 12/12/2019

Maîtrisez les caractéristiques d'une antenne

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Formalisez les critères de choix d'une antenne

La transmission sans fil des informations s’effectue par le biais d’une onde électromagnétique générée par une antenne, qui va se présenter sous différents facteurs de forme selon la fréquence d’émission ou de réception.

Supposons qu’une onde sinusoïdale issue d’un émetteur RF atteigne une antenne, il résulte en son sein un phénomène qualifié de rayonnement électromagnétique. Le courant circulant le long de l’axe Z engendre l’émission d’un champ électromagnétique qui associe deux champs orthogonaux : un champ électrique noté E (unité V/m) et un champ magnétique noté H (unité A/m).

Représentation d’une onde électromagnétique se propageant dans la direction de l’axe z
Représentation d’une onde électromagnétique se propageant dans la direction de l’axe z

La distance séparant deux maximums illustre la longueur d’onde, définie par l’équation :

λ=cf

que l’on applique avec une fraction entière de cette longueur d’onde, qui conditionne la longueur de l’antenne selon la règle :

Lantenne=λ4=c4f3.1084f

avec :  c = 2.99792458.108m.s13.108m.s1  , la célérité ou vitesse de la lumière ;

 f:  la fréquence signal sinusoïdal (Hz), qui correspond à la fréquence de la porteuse du signal radio. 

Correspondance fréquence et
Correspondance fréquence et "longueur" d'antenne

Critères de choix d’une antenne

Dans une démarche de conception et d’intégration, le choix d’une antenne et sa position dans le produit est assurément un point très critique et qui doit être discuté le plus tôt possible dans sa phase de conception.

En effet, tirer profit de l’intégralité de la performance du composant radiofréquence (le composant « transceiver » RF) suppose un travail de parfaite adéquation entre :

  • la carte électronique, ses signaux, le routage, la qualité des tensions de polarisation ;

  • l’intégration mécanique et l’ensemble des éléments métalliques (batterie, contacts de piles, câbles…) pouvant interférer avec la radio ;

  • le volume disponible pour la fonction antenne, où l'on doit considérer qu’une antenne sera d’autant plus efficace que le volume accordé sera grand ; ceci est bien souvent antinomique avec les critères de facteur de forme, qui imposent des objets « petits » ou compacts et sans antennes externes, au contraire des premières BOX internet et de leurs antennes MIMO.

Dernier élément, et pas le moindre, pour une liaison sans fil : garantir une reproductibilité de la performance. Parce que le positionnement a une influence sur la performance radio, la conception d’un objet connecté ne peut se faire sans penser aux contraintes d’industrialisation et de reproductibilité dans l’assemblage.

Aussi, le choix d’une antenne devient un compromis entre différents critères :

  • Taille : c’est certainement le critère le plus critique, puisqu’il conditionne à la fois les performances radio (antenne de grande taille) et le volume final d’un produit imposé par un designer (antenne de petite taille).

  • Fréquence de travail : en découvrant les bandes ISM, on s’aperçoit que finalement le choix d’une fréquence est imposé par les réglementations dans lesquelles un produit est destiné à fonctionner. C’est aussi un critère important car le choix d’une fréquence conditionne la taille de l’antenne.

  • Performance radiofréquence avec les principaux critères suivants :

    • le diagramme de rayonnement : c'est la représentation graphique de la répartition spatiale de l’énergie rayonnée par une antenne. Il permet de déterminer les directions de rayonnement maximal appelées "lobes principaux" et de juger sur la directivité de l’antenne.

    • la directivité : elle traduit l’aptitude d’une antenne à concentrer l’énergie rayonnée dans toutes les directions (omnidirectionnelle) ou bien dans une même direction (directive)

    • le gain : traduit l’aptitude d’une antenne à transmettre une puissance rayonnée (unité dBi pour décibel isotrope) dans son lobe principal, par rapport à une antenne étalon isotrope.

    • la polarisation : elle définit la direction du champ électrique de l’onde que reçoit ou émet une antenne. Si le vecteur champ électrique ne change pas de direction lors de la propagation, la polarisation est dite linéaire. Dans le cas où le vecteur change de direction, la polarisation est elliptique, avec un cas particulier de la polarisation circulaire où ce vecteur dessine un cercle dans le plan d’onde perpendiculaire au sens de la propagation.

    • la bande passante : elle définit l’intervalle des fréquences qui seront collectées. Par analogie avec un filtre passe bande plus, en RF c’est le critère à 10dBm qui définit les bornes de l’intervalle.

    • l’impédance d’une antenne : elle représente l’impédance complexe d’une antenne Z=R+jX, avec R la résistance et X la réactance d’une antenne. Elle doit être égale à 50Ω à la fréquence de travail pour garantir la transmission sans réflexion de l’onde.

Découvrez les différents facteurs de forme des antennes (filaires, patch, PCB...)

Le sujet est très vaste, comme en attesterait la réponse au mot antenne sur un moteur de recherche.

Focalisons-nous sur des antennes utilisées dans la bande ISM (433MHz, 868MHz et 2.4GHz la fréquence de notre objet connecté) et classons les solutions selon que l’antenne est soit :

  • en dehors du plan du PCB : antenne hélicoïdale, antenne filaire mais avec un fil guidé dans la plasturgie, antenne patch ;

  • sur le PCB : antenne céramique telle un composant ou « antenne à dessiner » sur le circuit imprimé. Naturellement, c‘est cette dernière solution qui est la plus avantageuse du point de vue économique (son coût est masqué dans celui de fabrication du PCB, sous réserve qu’il n’ait pas trop augmenté la taille de la carte) et reproductibilité, sachant que son adaptation en impédance peut être « compensée » par un « PI de matching » présenté dans le chapitre 3.

Illustrons ces différents facteurs de forme et observons l’encombrement qui en découle sur différents exemples, nécessairement sur la même bande de fréquence, afin de pouvoir comparer les solutions technologiques.

Le premier facteur de forme, le plus encombrant, est l’antenne filaire, encapsulée ou pas dans une plasturgie de protection et équipée ou pas d’un connecteur électromécanique de type SMA (mâle ou femelle).

En « spiralant » son facteur de forme, on réduit le volume de l’antenne, mais les performances imposeront d’optimiser surface des spires, espacement et longueur du fil, sans occulter l’impératif industriel de reproductibilité et de faible dispersion lors de la fabrication série.

Antenne hélicoïdale : https://www.mouser.fr/datasheet/2/336/W1010-1527083.pdf
Antenne hélicoïdale : https://www.mouser.fr/datasheet/2/336/W1010-1527083.pdf

Le second «facteur de forme » d’une antenne est l’antenne vue comme un composant électronique céramique, où l'on connait par exemple les filtres SAW.

Cette solution, qui impose le dessin d’une plage d’accueil spécifiée dans les notes d’application, est un compromis entre « être obligé de placer l’antenne sur le PCB » par contrainte d’intégration et « ne pas se risquer à concevoir » son facteur de forme d’antenne en ré-utilisant un composant performance-facteur de qualité élevé. Elle présente l’avantage de « ne pas se tromper » et offre des solutions multi-longueurs d’onde, ce que le dessin « custom » sur PCB ne peut atteindre qu’avec des outils numériques de simulation électromagnétique.

Antenne céramique : https://www.mouser.fr/datasheet/2/398/MCS6.A-1282349.pdf
Antenne céramique : https://www.mouser.fr/datasheet/2/398/MCS6.A-1282349.pdf

Un autre type de « composant antenne » est l’antenne patch, qui se présente sous la forme d’un circuit imprimé souple reporté sur un substrat autocollant qui va permettre de coller l’antenne dans l’endroit pré-destiné au meilleur rayonnement. La connexion au transceiver se fait par un câble neutre en effet radiofréquence (câble à 50Ω), via un connecteur UFL.

Antenne patch : https://www.mouser.fr/datasheet/2/986/ANT-DS-REVIE_FLEX_0419-1590442.pdf
Antenne patch : https://www.mouser.fr/datasheet/2/986/ANT-DS-REVIE_FLEX_0419-1590442.pdf

La troisième approche pour choisir son antenne est « de la dessiner » sur sa carte. C’est l’approche souvent reprise dans l’industrie, du fait des critères d’encombrement réduit, de coût et de reproductibilité, puisque l’antenne est directement native du PCB.

En pratique, on observe trois principaux facteurs de formes d’antennes :

  • Monopôle quart d'onde : il s’agit d’une piste cuivre dessinée directement sur le PCB.

Monopôle
Monopôle
  • PIFA (Planar Inverted F Antenna) : ce type d’antenne est couramment utilisé dans les systèmes nécessitant des exigences d’intégration et de miniaturisation dans les équipements de communication (smartphone, IOT…). Elles sont caractérisées par une forme ressemblant à la lettre « F » inversée, d’où l’origine de leur nom.

Antenne sur PCB de type IFA 2.4GHz: https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10992.pdf
Antenne sur PCB de type IFA 2.4GHz: https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/UM10992.pdf
http://www.ti.com/lit/an/swru120d/swru120d.pdf
http://www.ti.com/lit/an/swru120d/swru120d.pdf
  • Méandre : lorsque la place (en terme de surface) est insuffisante, on confère au brin rayonnant une forme constituée de replis plus ou moins complexes.

Méandre
Méandre

Comment est caractérisé le rayonnement d'une antenne ?

On matérialise la répartition de la puissance d’une antenne dans les trois directions de l’espace au travers du diagramme de rayonnement, où l'on va distinguer deux cas :

  • L’antenne isotrope émet de la même façon dans toutes les directions de l’espace. C’est le cas idéal, impossible à réaliser, mais qui va servir de référence pour caractériser les antennes.

  • L’antenne directive va concentrer l'énergie rayonnée dans une direction privilégiée. En concentrant l’énergie rayonnée dans un lobe principal, on créé un gain. En revanche, plus l’antenne est directive plus il faudra un moyen d’alignement pour garantir la qualité de transmission/réception : c’est l’exemple du pointage de nos paraboles. 

Antenne patch
Antenne patch
Diagramme de rayonnement  Source : http://antennas.pulseelectronics.com/files/uploads/2017/11/Internal-FPC-Dual-Band-WIFI-Antenna-CW3315B0100.pdf
Diagramme de rayonnement - Source : http://antennas.pulseelectronics.com/files/uploads/2017/11/Internal-FPC-Dual-Band-WIFI-Antenna-CW3315B0100.pdf

Isotrope, directive, dBi, sur PCB, patch, PIFA autant d’acronymes qui font désormais partie du vocabulaire du concepteur.

Le chapitre suivant détaille et modélise les précautions à mettre en œuvre pour adapter l’antenne au couple transceiver RF et carte électronique dans son boîtier avec des éléments métalliques pouvant dénaturer la puissance de la transmission sans fil.

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite