Comment l'ajout d'une antenne modifie le processus de conception

Le cycle de conception est un peu différent lorsque le produit est sans fil et nécessite une antenne. Les antennes modifient le processus de conception, car elles doivent être placées avec soin, dans la meilleure position sur le PCB, et il est important de considérer sa relation avec certains des autres composants de la conception.

Idéalement, le concepteur devrait organiser les éléments RF de la conception avant de considérer les autres composants. Dans cet article, nous examinons les étapes supplémentaires qu'une antenne ajoute au cycle de conception, en commençant par la sélection de l'antenne la plus appropriée.

Sélection d'antenne

Les antennes intégrées les plus populaires sont le groupe des appareils montés en surface (SMD). Ils sont populaires principalement en raison de leur utilisation efficace de l'espace sur la carte, mais aussi parce qu'ils peuvent atteindre d'excellentes performances au sein d'un appareil. Ces antennes sont minuscules; ils peuvent mesurer jusqu'à 1 mm de diamètre et sont refondus directement sur le PCB hôte pendant le processus d'assemblage de la carte. Généralement, ils sont fabriqués à partir de substrats stratifiés diélectriques de haute qualité.

Le concepteur peut également envisager d'utiliser un module d'antenne prêt à l'emploi. Ceux-ci contiennent l'antenne dans un petit emballage avec d'autres composants, prêts à être intégrés à la conception. Le principal avantage du choix d'un module d'antenne est le fait qu'il peut être inséré dans la conception et que les circuits RF sont fournis prêts à l'emploi.

Les antennes à circuit imprimé flexible (FPC) peuvent être une option intéressante lorsque la disposition des composants de la conception est limitée dans l'espace disponible sur la carte ou lorsque, pour une raison quelconque, une antenne CMS ne s'adaptera pas facilement. Le FPC comprend une fine couche de ruban de protection en cuivre avec un câble intégré et un connecteur UFL pour les joindre à la carte de circuit imprimé. Il est suffisamment fin pour être légèrement plié en une surface incurvée et rentré dans un petit espace à l'intérieur de l'appareil, peut-être fixé à l'intérieur du boîtier extérieur de la conception. Les FPC sont un bon choix lorsque l'espace est restreint et sont populaires dans les petits appareils portables.

Si la conception de l'appareil contient des matériaux susceptibles de compromettre les performances, le concepteur peut choisir une antenne externe (Figure 1). Les antennes intégrées ont tendance à ne pas atteindre des performances élevées à proximité des composants métalliques. Par conséquent, si de grandes fonctionnalités métalliques sont intégrées à la conception, une antenne montée sur un terminal ou un boîtier placée à l'extérieur de l'appareil peut fournir les meilleures performances.

Figure 1. Les options d'antenne externe incluent (de gauche à droite) une antenne CMS, une antenne FPC ou des antennes terminales. Source :Antenova

Ces antennes sont fabriquées avec leur propre matériau isolant pour isoler le signal RF, et s'il y a des pièces métalliques à proximité, elles fonctionneront toujours avec des pertes minimales. Les antennes montées sur boîtier libèrent de l'espace pour d'autres composants sur le PCB, et comme elles ne sont pas aussi sensibles aux autres pièces de la conception, elles sont plus faciles à intégrer.

Placement de l'antenne

De tous les composants d'une conception sans fil typique, l'antenne est probablement la plus sensible à sa position. Par conséquent, il est recommandé que le placement de l'antenne soit décidé dès le début.

L'antenne SMD est soudée directement au PCB hôte, et la position de l'antenne a des implications sur ses performances RF. L'antenne rayonnera dans six directions le long d'un axe, généralement le long de la longueur de l'antenne. Cela signifie que pour bien fonctionner, il doit avoir autant de directions que possible exemptes d'obstructions réfléchissantes et absorbantes. Pour cette raison, les antennes sont souvent placées sur le coin du PCB, ou conçues pour être utilisées sur l'un des bords du PCB. Les fabricants conçoivent leurs antennes pour fonctionner dans différentes positions, et la fiche technique de chaque antenne spécifiera exactement comment l'antenne rayonne et comment la placer sur le PCB hôte pour optimiser les performances.

Figure 2. Une antenne SMD est placée sur le bord long d'un PCB. Source :Antenova

Certains composants doivent être placés aussi loin que possible de l'antenne, car ils créent du bruit et sont susceptibles d'altérer les performances rayonnées de l'antenne. Les principaux coupables des interférences sont les moteurs, les batteries et tous les composants à haute teneur en métal tels que les écrans LCD.

Enfin, l'enveloppe extérieure du dispositif peut également provoquer des interruptions des champs rayonnés de l'antenne. Si l'appareil a un couvercle en plastique, soyez prudent, car le plastique a une constante diélectrique plus élevée que l'air et peut probablement désaccorder la fréquence de résonance de l'antenne.

Plans au sol et conception de cartes pour RF

Les antennes CMS nécessitent généralement un plan de masse pour rayonner. Dans une conception embarquée, le plan de masse est une section du PCB qui fournit une surface plane et contiguë à partir de laquelle le signal RF va se retourner. Le plan de masse doit avoir une certaine longueur, qui est liée à la plus grande longueur d'onde de l'antenne. Il est donc essentiel de fournir la bonne quantité d'espace pour le plan de masse sur le PCB, car cela permettra à l'antenne de rayonner efficacement.

Encore une fois, cela sera expliqué dans la fiche technique du fabricant de l'antenne. Parfois, le plan de masse est en dessous de l'antenne, et parfois il est adjacent à celle-ci ; cela variera d'une antenne à l'autre et sera un facteur dans votre choix d'antenne CMS.

En plus de nécessiter un plan de masse, les antennes nécessitent souvent un certain espace autour d'elles pour être exemptes de tout autre composant - une zone d'exclusion. Les exigences de protection pour chaque antenne sont également uniques pour chaque antenne individuelle, et ces zones devront être maintenues à l'écart des autres composants, éventuellement à travers plusieurs couches, voire toute la carte sous l'antenne.

Les performances RF de l'appareil seront meilleures si les lignes de trace RF sont aussi courtes que possible de la radio à l'antenne. En effet, les lignes de transmission plus longues sont plus sujettes aux réflexions et aux pertes d'énergie du signal dans la trace de cuivre, ce qui peut dégrader les performances rayonnées globales de l'appareil. Par conséquent, nous recommandons que les éléments RF de la conception soient placés aussi près que possible de l'antenne.

Certaines conceptions bénéficieront d'un circuit de correspondance d'éléments localisés, tel qu'un circuit de correspondance Pi, dans le circuit RF pour régler l'antenne afin d'améliorer la bande passante de travail.

Figure 3. Une conception d'antenne avec un circuit d'accord actif peut surmonter la réduction de bande passante observée avec un plan de masse plus petit. Source :Antenova

Revue Gerber et test RF

Avant que la conception ne soit finalisée, un examen de la mise en page du fichier Gerber fournit une bonne vérification des circuits RF et des lignes de transmission dans l'empilement des couches de la conception du PCB et signalera toutes les zones qui ne sont pas tout à fait correctes. L'examen Gerber vérifie que l'antenne, le module, les lignes de transmission, les vias et les matériaux PCB sont tous optimisés pour de bonnes performances RF. Certaines sociétés de conception d'antennes facturent les évaluations Gerber, tandis que d'autres les proposent gratuitement, ou vous pouvez utiliser un progiciel de conception de logiciels à cette fin.

Le prochain test consistera à mesurer les performances de l'antenne sur son PCB. Cela se fait dans une chambre anéchoïque. Cependant, l'antenne peut bien fonctionner dans les conditions parfaites de la chambre, puis se comporter différemment dans son application finale, où les personnes et les objets dans l'environnement pourraient affecter la façon dont l'antenne rayonne. Ainsi, avec une conception pour un appareil portable ou un appareil médical à utiliser près du corps humain, l'antenne doit être réglée et testée avec une tête ou une main fantôme dans la chambre anéchoïque.

Quelques tests supplémentaires peuvent évaluer dans quelle mesure la conception fonctionnera dans la vie réelle :tests passifs, tests en direct (OTA) et radar à synthèse d'ouverture (SAR). Les résultats seront mesurés en termes d'efficacité, d'émissions parasites, de puissance rayonnée totale et de sensibilité isotrope totale.

Il est essentiel de tester la conception pour être sûr que l'appareil fonctionnera correctement au quotidien et ne créera pas d'émissions ou d'interférences. Ces tests sont essentiels lorsque la conception nécessite l'approbation du réseau de l'opérateur, et il est habituel d'utiliser un service de test RF spécialisé.

Enfin, chaque conception de réseaux cellulaires doit être certifiée par l'opérateur de réseau mobile pour obtenir l'approbation d'être utilisée sur son réseau.

>> Cet article a été initialement publié le notre site frère, EDN.

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Geoff Schulteis est un spécialiste des applications d'antenne RF et dirige le support technique pour les conceptions des clients nord-américains d'Antenova.

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