Couverture ElectroniqueS n°127

Avec le développement de solutions de semi-conducteurs avec fonction RF hautement intégrée, il est devenu relativement simple d'ajouter la connectivité sans fil à un produit. Compte tenu de la diversité des applications, le cas de l'antenne reste toutefois critique. Le plus grand défi consiste désormais à choisir celle-ci et à l'incorporer dans le cycle de conception. MATT MCWHINNEY (MOLEX) Il possède une solide expérience en gestion de produits et en développement de marchés dans les domaines de la fabrication de produits électroniques grand public, automobiles et industriels. L 'accès à Internet n'est plus réservé aux seuls appareils destinés aux personnes. Des objets avec lesquels nous pourrions ne jamais avoir la moindre interaction directe représentent désormais des milliards de connexions et ce chiffre ne cesse d'augmenter. Comme les véhicules deviennent plus connectés, nous allons assister à une hausse de la demande de solutions de connectivité « véhicule à tout » (V2X). Le déploiement des services 5G se traduira lui aussi par un besoin accru de connectivité, tandis que ceux basés sur la géoloca-lisation accroissent la demande de fonctions GPS et GNSS. Par ailleurs, les protocoles exploités dans les bandes ISM (Industrielle, Scientifique, Médicale) comme Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, LoRa et Sigfox gagnent en popularité à mesure que de nouveaux objets rejoignent la sphère de l'Internet des objets (IoT). Toutes ces applications reposent sur les communications sans fil ( voir figure 1 ) et, dans bien des cas, elles seront invisibles, car implantées au cœur de grosses machines, de véhicules, voire même de structures telles que des ponts. Les données générées par ces objets sont de plus en plus vitales et la mise au point d'appareils robustes capables de garantir une connexion dans des conditions parfois difficiles revêt encore plus d'importance. Grâce à un nombre croissant de circuits de types puce-système (SoC) et système en boîtier (SiP), dotés d'interfaces RF entièrement intégrées, il est aujourd'hui plus simple que jamais d'avoir accès à la connectivité sans fil. Cependant, il existe un aspect qui requiert toujours une attention particulière pour obtenir des performances optimales : l'antenne. Les bilans de liaison sont essentiels pour assurer des communications fiables et constituent peut-être l'élément le plus important du développement d'une interface RF. Le choix de l'antenne et, plus critique encore, sa conception dans le système, aura une incidence majeure sur le bilan de liaison. C'est pourquoi la compréhension et le respect de lignes directrices bien établies en matière d'antennes RF forment une grande part du processus de conception global. La théorie des antennes en quelques mots Nous rencontrons maintenant de nombreuses formes de connectivité sans fil dans nos vies numériques, et nous ne nous préoccupons guère de l'antenne utilisée. Cette dernière, qui peut prendre des formes diverses (voir photo 1), est pourtant indéniablement le composant crucial d'un système RF. En théorie, n'importe quel fil conducteur peut faire office d'antenne, puisqu'il sera capable d'émettre et de recevoir de l'énergie RF dans l'air. Toutefois, pour pouvoir le faire de manière fiable, il faut appliquer à cette théorie un savoir-faire technique. Le défi auquel de nombreux ingénieurs-concepteurs se trouvent aujourd'hui confrontés consiste à savoir comment parvenir à créer un modèle optimal, sans une parfaite connaissance des nuances de la conception RF. La première chose à comprendre est que les antennes ne font pas de distinction, en ce sens qu'elles ne se soucient pas vraiment du contenu de l'énergie (signal ou protocole) : elles s'intéressent simplement à sa présence (fréquence) et à ses niveaux (puissance). C'est le schéma de modulation qui transporte les véritables données et, pour que le serveur puisse les récupérer, il est important que l'antenne soit conçue de manière conforme. En fait, une antenne se comportera exactement de la même façon lorsqu'elle reçoit et lorsqu'elle émet un signal. Ce phénomène est connu sous le nom de théorème de réciprocité. Naturellement, cela implique aussi qu'il importe peu que l'appareil soit un émetteur, un récepteur ou les deux. La conception de l'antenne sera identique. En ce qui concerne les appareils générale-ment déployés dans le cadre de l'Internet des objets, une antenne sera dite intégrée si elle est montée directement sur le circuit imprimé. Elle sera éventuellement raccordée à l'aide de pistes de cuivre ou reliée au circuit imprimé à l'aide d'un câble (habituellement coaxial). On parlera alors dans ce dernier cas d'antenne filaire. Les antennes filaires sont souvent disposées à l'intérieur du boîtier mais, bien entendu, elles peuvent aussi être placées à l'extérieur du boîtier principal, voire même, dans certains cas, hors d'un bâtiment. Dans le cadre de la conception ou du choix d'une antenne, il convient d'examiner plusieurs critères, notamment le débit de données requis, les fréquences retenues et la portée de la connexion sans fil. Ces facteurs auront une incidence sur les niveaux de puissance du système. Bon nombre de ces paramètres sont communs à tout un éventail d'applications. Il n'est donc pas surprenant qu'ils soient déjà définis dans des spécifications portant sur les protocoles sans fil, tels que Bluetooth, Wi-Fi, LoRa et bien d'autres ciblant l'IoT, et diverses autres applications, comme la mise en réseau sans fil ou la télémesure ( voir figure 2 ). La portée est probablement le paramètre le plus fondamental pour nous aider à déterminer le protocole le mieux adapté à une application donnée. Cela comprend la courte, la moyenne et la longue portée, pour une couverture allant de moins de dix centimètres à plusieurs kilomètres. La portée est aussi étroitement liée au débit de données, qui constituera souvent un facteur encore plus déterminant même si, bien sûr, les deux dépendent largement de la puissance. Certains protocoles ne prennent en charge que les débits de données très bas, mais sur de longues distances et à des niveaux de puissance relativement faibles. Inversement, les débits de données plus élevés sont en général réservés pour des distances plus courtes, mais peuvent néanmoins exiger une plus grande puissance du système pour un fonctionnement correct. La fréquence opératoire est également définie par le protocole et la plupart des ingénieurs seront au moins vaguement familiarisés avec les bandes passantes libres attribuées aux applications industrielles, scientifiques et médicales. Parmi ces bandes de fréquence, celle des 2,4 GHz est mise à profit par de nombreux protocoles parmi les plus populaires. Bien qu'ils partagent la même portion du spectre, ces protocoles offrent plusieurs portées et débits de données. Cela influe à la fois sur leurs besoins en matière de puissance relative et sur le coût global des appareils radio. Il est important de comprendre que les circuits électroniques RF définissent le protocole, tandis que l'antenne se contente de recevoir et d'émettre les signaux RF que lui transmet l'électronique, indépendamment du protocole adopté. De formes et de tailles diverses, les antennes sont composées de différents matériaux. Il n'est pas toujours simple de choisir la bonne ! Bénéficier d'une expertise reconnue Dès lors, même si le SoC ou le SiP RF utilisé varie d'un protocole à l'autre, il est en réalité possible de se servir du même modèle d'antenne pour n'importe quel protocole fonctionnant sur la fréquence prévue pour l'antenne, comme ceux à 2,4 GHz (Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, etc.). Cela signifie évidemment qu'une antenne sera à même de prendre en charge plusieurs protocoles. Cela étant dit, il demeure d'autres facteurs pertinents lors du choix d'une antenne, tels que l'espace physique disponible et son emplacement dans le produit. Cela aura une incidence sur la forme de l'antenne, qui pourrait avoir besoin de respecter un profil donné pour supporter la fré-quence ou la largeur de bande requise. Depuis 20 ans, Molex conçoit, fabrique et fournit des antennes intégrées standards et personnalisées pour les applications IoT et mobiles de différents volumes, et pour les plus grands fabricants d'appareils à travers le monde. Le portefeuille d'antennes de la société couvre tous les principaux protocoles actuels, ainsi que les solutions propriétaires. L'accent est mis sur les antennes intégrées (montées sur circuit imprimé) et sur les antennes filaires internes, lorsque les exigences fonctionnelles sont susceptibles de dicter leur usage. Les antennes intégrées sont parfois extrêmement petites. Elles seront fabriquées en céramique et en plastique ainsi qu'en métal découpé, et ne pèseront que quelques grammes ( voir photo en haut de page ). Les antennes filaires seront aussi éventuellement fabriquées à l'aide de circuits imprimés, tant rigides (FR4) que flexibles, et de métal découpé. De la sorte, quelle que soit l'application, le modèle d'antenne le mieux adapté sera aisément trouvé. Bien qu'elles puissent être très petites et compactes, les antennes intégrées s'accompagnent néanmoins d'exigences de conception qui, si elles sont respectées, contribueront à garantir le fait que le fonctionnement de l'antenne respecte la spécification. De nombreux facteurs, tels que la taille du circuit imprimé, sa forme et l'emplacement de l'antenne sur le circuit imprimé, auront souvent une incidence sur l'efficacité de l'antenne. < Fabriquées en céramique et en plastique ainsi qu'en métal découpé, les antennes intégrées sont parfois extrêmement petites et ne pèsent que quelques grammes. Molex offre une grande variété d'antennes et l'expertise nécessaire pour mettre au point la bonne solution pour n'importe quelle application. Les options de conception comprennent le montage sur circuit imprimé et le positionnement à distance. Souvent, l'application dictera l'approche la mieux adaptée. Afin de compléter et soutenir son portefeuille de produits, Molex a créé une bibliothèque de spécifications d'application. Il s'agit de documents techniques qui vont au-delà de la fiche technique standard d'une antenne. Ils comprennent non seulement des informations sur les performances, mais aussi une conception de référence, avec des conseils indiquant où et comment positionner l'antenne sur un circuit imprimé. Peut-être plus important encore, la spécification d'application livre une estimation du fonctionnement de l'antenne et de ses variations en fonction de son emplacement sur un circuit imprimé, en tenant compte de sa proximité avec d'autres entités telles que des piles, des blindages métalliques et le câble lui-même pour les antennes filaires. Ces documents de spécifications d'application fournissent des lignes directrices essentielles que les concepteurs de systèmes devraient lire pour connaître la meilleure façon de réaliser l'antenne pour chaque système. La plupart du temps, les informations fournies dans la spécification d'application ont été simplifiées, en vue de les rendre plus facilement accessibles aux ingénieurs ayant des niveaux de connaissances variés en matière de radiofréquences. Et, si nécessaire, Molex propose également l'assistance d'un expert. Dans bien des cas, il est conseillé aux équipes de conception qui placent des antennes dans leurs systèmes de solliciter l'aide et les conseils d'un spécialiste RF. Cela peut faire gagner du temps lorsque l'on veut savoir quelles mesures supplémentaires sont nécessaires pour améliorer les performances de l'antenne, ou mesurer quantitativement les performances de l'antenne dans un système. Afin d'aider ses clients, Molex a également investi dans la technologie de mesure d'antenne, notamment les chambres à balayage de champ, afin d'optimiser le développement de produits jusqu'aux fré-quences utilisées dans les transmissions 5G. En y ajoutant ses capacités de simulation avancées, cela se traduit par la mise au point d'antennes offrant des performances élevées, tout en continuant de respecter les spécifications de débit d'absorption spécifique (DAS). Une fois la conception terminée, Molex est aussi en mesure de fabriquer des antennes personnalisées pour répondre aux besoins de production du client. Les ingénieurs RF de la société sont des experts prêts à aider les ingénieurs-concepteurs des clients à étudier et documenter les performances des antennes dans un système.

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