Comment obtenir de meilleures performances sans fil pour les appareils mobiles avec de petits circuits imprimés

La demande d'appareils sans fil plus petits est en augmentation, destinés à être utilisés dans des applications grand public telles que les appareils portables, les dispositifs médicaux et les trackers, ainsi que dans des applications industrielles telles que l'éclairage, la sécurité et la gestion des bâtiments. Il s'ensuit que les appareils électroniques plus petits nécessiteront des PCB plus petits, ce qui signifie que les antennes doivent fonctionner avec des plans de masse plus courts, et si elles fonctionnent sur batterie, la puissance est également un facteur - car l'appareil ne doit pas consommer trop d'énergie.

Cela représente tout un défi pour le concepteur de produits. La conception finale devra être soumise à l'approbation officielle du réseau et du gouvernement avant que le nouveau produit puisse être utilisé sur les réseaux des opérateurs, et la conception est susceptible d'échouer si l'antenne ne fonctionne pas correctement ou si l'appareil crée des interférences radio en re-rayonnant le bruit de l'appareil. Il s'ensuit qu'il est encore plus difficile d'obtenir l'approbation d'un opérateur pour un produit plus petit, car il est plus difficile d'obtenir des performances sans fil suffisamment bonnes pour passer les niveaux minimum de transmission et de réception. C'est particulièrement vrai aux États-Unis où une conception doit répondre à des critères stricts pour obtenir l'approbation du réseau.

C'est un fait que pour que les antennes électriquement petites fonctionnent à des fréquences inférieures à 1 GHz, elles ont idéalement besoin d'une longueur de plan de masse de 100 mm ou plus pour obtenir de bonnes performances et une bonne efficacité. Si l'efficacité de l'antenne chute, cela entraînera des problèmes de consommation d'énergie et d'obtention de l'approbation du réseau pour le produit fini. Cela signifie que le défi pour un concepteur de produit est de créer une conception où il y a suffisamment d'espace pour que l'antenne fonctionne correctement, tout en intégrant tous les composants dans un PCB plus petit.

Cela est particulièrement vrai pour les antennes fonctionnant à des fréquences inférieures à 1 GHz, qui sont généralement utilisées pour des produits tels que des appareils IoT, des trackers de produits, des appareils de fitness et d'autres petits appareils similaires.

Les dispositifs portables et les dispositifs médicaux utilisés à proximité du corps humain présentent un défi particulier. Le corps humain restreint les signaux RF, le concepteur doit donc prendre en compte la façon dont l'antenne rayonnera et s'assurer de placer l'antenne de manière à ce que le corps humain n'obstrue pas les signaux.

Les appareils portables peuvent être aussi petits que 50 mm ou même moins. Et certains d'entre eux peuvent utiliser plusieurs antennes !

Plusieurs facteurs affectent les performances de l'antenne dans un petit appareil, et cet article les abordera à son tour. Le premier et le plus important est le plan de masse, qui dans de nombreux cas est essentiel pour que l'antenne rayonne. Mais ce n'est pas tout, le concepteur doit placer l'antenne correctement et considérer les autres composants et la position de ceux-ci par rapport à l'antenne, pour s'assurer qu'aucun bruit ou métal ne se trouve sur le trajet de l'antenne. Enfin, le boîtier de l'appareil peut faire la différence, et nous allons détailler les principaux matériaux à éviter.

Antennes intégrées - comment elles fonctionnent

Une antenne dipôle utilise deux radiateurs pour fonctionner, mais une antenne à puce intégrée n'en a qu'un. Pour une antenne embarquée, une surface du PCB devient le deuxième radiateur. Cela explique pourquoi, si la longueur du PCB est trop courte, l'antenne ne fonctionnera pas efficacement.

La résonance d'une antenne est directement liée à sa longueur d'onde. L'antenne doit résonner à des nombres entiers multiples ou fractionnaires de la longueur d'onde, la longueur de résonance la plus courte étant un quart de la longueur d'onde.

Une antenne pleine onde à la fréquence de 916 MHz devrait mesurer environ 327 mm de long, ce qui n'est pas pratique pour une antenne intégrée, mais une version quart d'onde est pratique à une longueur de plan de masse de 87,2 mm. Celui-ci sera enroulé sur les traces et les couches de cuivre qui sont cachées dans une minuscule antenne à puce montée en surface.

Les concepteurs d'antennes contournent cette limitation en utilisant le plan de masse comme moitié manquante du dipôle demi-onde, de sorte qu'une antenne monopôle quart d'onde rayonne contre le plan de masse. Par conséquent, les antennes intégrées les plus populaires dans les petits appareils sans fil ont tendance à être des antennes monopôles quart d'onde.

Longueur du plan de masse

Pour qu'une antenne embarquée fonctionne efficacement, le plan de masse doit être au moins au quart de la longueur d'onde de l'antenne à sa fréquence la plus basse. En conséquence, aux fréquences les plus basses, la conception sera beaucoup plus facile lorsque le plan de masse est de 100 mm ou plus.

Les performances d'une antenne intégrée sont directement liées à la longueur de son plan de masse, donc permettre au plan de masse d'être de la bonne longueur est le plus grand défi pour les conceptions plus petites.

La figure 1 montre le compromis entre la longueur du plan de masse et l'efficacité de l'antenne de 794 MHz à gauche à 2,69 GHz à droite.

Figure 1. (Source :Antenova Ltd)

Ces résultats montrent clairement comment l'efficacité de l'antenne chute pour les petits plans de masse à des fréquences inférieures à 1 GHz. Ces résultats ont été obtenus pour une antenne à puce 3G/4G fonctionnant aux fréquences 791-960MHz, 1710-2170MHz, 2300-1400MHz et 2500-2969MHz.

En règle générale, le plan de masse devrait être de 100 mm ou plus pour un appareil utilisant des fréquences inférieures à 1 GHz. Aux États-Unis, les fréquences 4G utilisent des bandes aussi basses que 698 MHz ou même 617 MHz comme avec la bande B71 de T Mobile nécessitant un plan de masse encore plus long que 100 mm.

Positionnement de l'antenne sur son PCB

Ensuite, nous devons considérer la position de l'antenne sur le PCB et son placement par rapport aux autres composants. L'antenne doit être placée dans la meilleure position dans la disposition RF globale et l'empilement PCB pour lui permettre de rayonner efficacement.

Chaque antenne individuelle est conçue pour fonctionner efficacement à quelques endroits sur un PCB. Il s'agit souvent d'un coin ou d'un bord, mais chaque antenne est différente, il est donc important de sélectionner une antenne qui s'intègre dans la conception et de la placer conformément aux recommandations du fabricant pour cette antenne.

La figure 2 montre comment l'antenne est placée avec sa zone de dégagement dans un petit appareil tel qu'un produit portable ou une montre.

Figure 2. (Source :Antenova Ltd)

La figure 3 montre un placement d'antenne approprié pour une conception de montre. La conception maintient le dégagement recommandé spécifié au-dessus et au-dessous de cette antenne, qui est indiqué en rouge.

Figure 3. (Source :Antenova Ltd)

Ne placez pas de composants bruyants, tels qu'une batterie ou un écran LCD à proximité de la section d'antenne. Les antennes sont des composants passifs qui reçoivent de l'énergie et captent le bruit rayonné par les composants bruyants, et transfèrent ce bruit à la radio, dégradant le signal reçu. L'antenne doit également être éloignée du corps humain pour améliorer les performances RF. Il s'agit de la distance indiquée en bleu sur la figure 3 ci-dessus.

La disposition de l'alimentation RF et les connexions à la terre sont essentielles au fonctionnement de l'antenne. Avec de petites antennes intégrées dans de petits PCB, les pistes de cuivre gravées sur le PCB peuvent faire partie intégrante de l'antenne, il faut donc veiller à suivre les spécifications du fabricant ou la conception de référence.

Disposition RF globale et empilement de circuits imprimés

Vous pouvez maximiser les performances de l'antenne en accordant une attention particulière à la disposition des éléments RF dans la conception. Le plan de masse en cuivre ne doit pas être découpé avec des traces ou disposé sur plus d'une couche, la partie du plan de masse de l'antenne pourra alors rayonner plus efficacement.

Il est essentiel de garder les composants tels que l'écran LCD ou les batteries à l'écart de la zone d'antenne dans la configuration PCB, car ils peuvent interférer avec la façon dont l'antenne rayonnera.

Pour les fréquences multibandes, nous suggérons une configuration PCB avec un minimum de quatre couches.

La figure 4 montre comment les couches supérieure et inférieure fournissent des plans de masse, tandis que les signaux numériques et la puissance qui doivent être éloignés du plan de masse, circulent dans l'espace entre ceux-ci.

Figure 4. (Source :Antenova Ltd)

Réglage de l'antenne pour les performances

Pour les cas où le plan de masse est plus court que l'idéal, un concepteur peut envisager d'autres techniques pour augmenter les performances d'une antenne intégrée.

Une façon consiste à régler l'antenne pour son pays d'exploitation. La gamme de fréquences 4G est large, allant de 698 MHz à 2690 MHz, mais chaque région du monde n'utilise qu'une partie de cette bande, et une antenne ne peut fonctionner que sur une fréquence à la fois. Cela signifie que lorsqu'un produit doit être utilisé dans une région géographique, il peut être réglé pour fonctionner dans une section plus étroite de la bande de fréquences. Cela augmentera les performances de l'antenne.

Une autre technique consiste à inclure un réseau de réglage actif, en fait un circuit de commutation RF supplémentaire, qui aidera à surmonter la réduction de bande passante causée par une masse plus petite où le PCB hôte est inférieur à 75 mm. Un circuit d'adaptation PI est ajouté à proximité du point d'alimentation de l'antenne, pour affiner l'antenne et augmenter les performances. La conception du circuit d'adaptation nécessitera généralement l'aide d'un spécialiste RF.

La figure 5 montre un circuit d'adaptation sur une carte d'évaluation d'antenne.

Figure 5. (Source :Antenova Ltd)

Conception de la ligne de transmission

Une fois que le matériau du PCB a été choisi et que son épaisseur et sa constante diélectrique sont connues, une ligne de transmission coplanaire peut être conçue à l'aide de l'un des progiciels de conception de traces RF disponibles dans le commerce. Cela utilisera l'épaisseur du PCB, la séparation de la couche de cuivre et la constante diélectrique du substrat pour calculer la largeur optimale pour la ligne de transmission et les espaces appropriés de chaque côté pour obtenir une ligne de transmission coplanaire de 50 Ω.

Toutes les lignes de transmission doivent être conçues pour avoir une impédance caractéristique de 50 , et les autres parties du système RF, telles que les émetteurs-récepteurs ou les amplificateurs de puissance doivent également être conçues avec une impédance de 50 Ω.

Antenova propose un outil gratuit de calcul de ligne de transmission RF pour aider les concepteurs à déterminer la taille de la ligne de transmission.

Autres facteurs

Il peut y avoir plusieurs antennes, fonctionnant à des fréquences différentes sur le même PCB mais placées à proximité immédiate. Si l'antenne est un système de réception uniquement, tel qu'un récepteur GPS, elle pourrait être dé-détectée par une antenne d'émission à proximité telle qu'une radio 4G, réduisant ainsi la précision du système GPS. Il faut prendre soin de séparer ces systèmes d'antennes soit par la distance physique entre les antennes - en s'assurant que les antennes sont orthogonales les unes aux autres - soit en encochant le plan de masse pour supprimer les courants de masse partagés entre les antennes.

Dans les systèmes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO), la conception nécessitera plus d'une antenne, qui doit être placée l'une par rapport à l'autre afin qu'elles puissent coexister. Ensuite, ils peuvent être adaptés aux mêmes fréquences. Il est impératif que les antennes soient placées de manière à garantir que l'isolement et la corrélation croisée se situent dans des limites acceptables. Comme mentionné ci-dessus, il faut prendre soin de séparer l'antenne dans l'appareil soit par une distance physique entre les antennes, en veillant à ce que les antennes soient orthogonales les unes aux autres, soit en encochant le plan de masse entre les antennes pour éliminer les courants de masse partagés entre les antennes.

La figure 6 montre des configurations de proximité pour la diversité.

Figure 6. (Source :Antenova Ltd)

La figure 7 montre des configurations opposées pour la diversité.

Figure 7. (Source :Antenova Ltd)

Le boîtier extérieur ne doit pas contenir de métal à proximité de l'antenne, mais certains revêtements métallisés sont acceptables car ils ne conduisent pas efficacement l'énergie. Les objets métalliques à proximité de l'antenne peuvent faire baisser la fréquence de l'antenne. Cela peut également réduire la quantité de bande passante avec laquelle l'antenne est conçue pour fonctionner. Un autre problème avec les objets métalliques à proximité de l'antenne est que les objets métalliques bloquent le signal dans la direction dans laquelle le métal est placé, ce qui réduit le diagramme de rayonnement global et peut entraîner une dégradation suffisante du signal pour perdre la connexion avec la station de base.

Conclusion

Si la conception du produit doit inclure une antenne, en particulier s'il utilise un petit PCB, nous vous recommandons de sélectionner d'abord l'antenne et de la placer d'abord sur le PCB. Il est plus facile de procéder de cette façon plutôt que d'insérer une antenne dans une conception autrement finie. Penser d'abord à l'antenne est généralement le moyen le plus rapide d'obtenir une conception où l'élément RF fonctionne comme il se doit.

Cela augmentera les chances d'obtenir l'approbation du réseau pour l'appareil. L'antenne doit fonctionner efficacement pour être approuvée et les règles sont strictes. Cependant, AT&T a pris en compte les appareils de moins de 107 mm et a abaissé le seuil d'efficacité de ces appareils plus petits.