Analysez un schéma d’exemple
Analysons la schématique d’un « transceiver BLE » (SoC NORDIC nRF52832) avec transmission BlueTooth Low Energy embarquée sur lequel, pour des besoins de preuve de concept (Proof Of Concept), on identifie les trois types d’antennes possibles :
antenne céramique à souder sur le PCB,
antenne filaire à déporter du PCB,
antenne PCB de type PIFA.
La première lecture identifie la présence :
d’un connecteur UFL (élément soudable en surface de petite taille, utilisé pour connecter l'antenne). Il est nécessaire (conseillé) d’utiliser ce type d’interfaçage pour établir une liaison entre le câble RF d’un analyseur de réseau vectoriel équipé d’un connecteur SMA et le câble UFL vers SMA, ceci pour mesurer les paramètres électriques (Impédance, S11 et SWR) de l’antenne avant et après le matching.
de résistances 0 Ohm qui ont différents rôles :
sélectionner une antenne et « ouvrir la connexion » des deux autres pour ne jamais les mettre en parallèle,
réaliser la calibration du VNA vis-à-vis de la sortie du Power Amplifier du transceiver.
d’alias : ce sont des étiquettes qui permettent d’imposer une contrainte de routage pour spécifier qu’il s’agit d‘une ligne accordée à 50Ω de largeur de la piste 360µm.
Ainsi, la lecture de la schématique permet différentes solutions routées, à activer ou pas en fonction du câblage ou du non-câblage des résistances 0Ω.
Identifions les différentes solutions de sélection d’un type d’antenne.
Choix de l’antenne céramique
Choix de l’antenne filaire
Choix de l’antenne PIFA
Comprenez les enjeux du placement et du routage
Découvrons le routage associé à la schématique précédente et focalisons-nous sur les différentes solutions matérielles pour connecter une antenne au SOC BLE :
Analysons le routage :
Le PCB est « clouté » : cette terminologie souligne la présence de vias (cf. dernière partie de ce cours), qui permettent de connecter les plans de masse supérieure (couche TOP) et inférieure (couche BOTTOM) du PCB. Ceci a pour effet de répartir uniformément le potentiel de référence (GND, masse) vis-à-vis des composants situés sur la carte électronique.
Toutes les pistes de cuivres situées entre la sortie RF du SOC BLE et les antennes sont adaptées à 50Ω. Elles sont aisément identifiables puisqu’elles sont plus larges (360µm) que les autres pistes du PCB.
Outre la possibilité de choisir une antenne, les résistances 0Ω permettent d’isoler le couple "circuit de matching + antenne" lorsque le VNA est connecté. En effet, lorsque la résistance R128 n’est pas assemblée, cela évite que le signal RF issu du VNA ne soit ré-injecté vers la sortie du SOC-BLE.
On prendra soin de bien connecter les éléments de matching au GND, c’est-à-dire qu’il est préférable d’avoir un contact direct entre les broches des éléments passifs.
Quelle précaution prendre ici ?
Sur la figure ci-après, on privilégiera un contact direct (à droite), alors que le logiciel de CAO a tendance à proposer un type de contact des composants qui n’est pas direct (à gauche).
Cela rajoute des éléments parasites (inductances), mais présente aussi l’avantage de pouvoir « dessouder » les composants plus facilement. Cette particularité est qualifiée de frein thermique.
Expérimentez le matching de cette antenne PCB
Expérimentons l’adaptation d’impédance sur l’exemple de carte INSA-BLE et réalisons le matching de l’antenne céramique (référence W3001, fabricant PulseLarsen Antennas).
On dispose d’un analyseur de réseau vectoriel (VNA : Vector Network Analyser, Agilent Technologies E5051B) pour visualiser l’abaque de Smith et mesurer le coefficient S11, le ROS (SWR) et la phase.
Pour cela, on enregistrera dans le VNA les coordonnées d’impédances de références (Open, Short et Load), que l’on rajoutera en bout de câble :
le point relatif à un circuit ouvert (Open : Z=∞+j0) ,
le point relatif à un court-circuit (Short : Z=0+j0) ,
le point relatif à l’impédance 50Ω (Load=50+j0) .
Reprenons les étapes de la méthode « théorique » décrite dans la section 3 du chapitre précédent et appliquons-là à l’antenne céramique.
Étape 1
0n mesure la valeur de l’impédance de l’antenne. Pour cela, une résistance de 0Ω est connectée sur le Pi de matching.
La mesure donne Za=4.3+j21.152
Étape 2
On planifie le matching en définissant un trajet pour rejoindre le centre de l’abaque de Smith. Dans le cas présent, il faudra d’abord ajouter un condensateur en série, puis rajouter un second condensateur en parallèle (Shunt) pour rejoindre le centre de l’abaque.
Avec le premier condensateur, on se déplace sur le cercle des impédances pour atteindre le point Z=4.3+j13 (Objectif 1) ,
Avec le second condensateur, on se déplace sur le cercle des impédances pour rejoindre le point 50+j0 (Objectif 2) .
Étape 3
On place le premier condensateur en série pour atteindre le cercle d’admittance au point Z=4.3+j13 . L’objectif 1 est atteint, la mesure donne 4.5044+13.290.
Étape 4
On rajoute le second condensateur en parallèle pour permettre le déplacement sur le cercle des admittances et ainsi atteindre le centre de l’abaque de Smith ( 50+j0).
À présent, l’antenne est adaptée en impédances. Toute la puissance est correctement transmise à l’antenne.
Les mesures donnent S11 = -34.5 dBm et le SWR = 1.03.
Enfin, on raccordera l'antenne et son Pi de matching sur la sortie du SOC-BLE au moyen de la résistance 0 Ohm.
Pour bien cerner les étapes pratiques de dimensionnement du circuit de matching, prenez le temps de suivre la vidéo :
Choisir une antenne et la positionner est souvent contraint par le facteur de forme du produit final où déporter l’antenne du plan de masse n’est souvent pas facile bien que des antennes patch sur substrats souples permettent cette approche mais avec un certain coût.
Tirer profit des performances de l’émetteur/récepteur radio telles que annoncées par la datasheet suppose des efforts de conception et de routage pour adapter l’association antenne, connexions, transceiver avec les contraintes mécatroniques et la présence d’éléments absorbants électro magnétiquement parlant tels que le plan de masse et aussi la batterie !
