Optimisation de la conception d'antenne pour appareils IoT compacts

Alors que de plus en plus d'appareils se connectent à Internet sans fil, les ingénieurs électroniques font face à de nombreux défis : comment assembler un émetteur radio dans l'espace d'équipement existant et comment concevoir et fabriquer des appareils de plus en plus petits. De plus, ils s'efforcent de répondre aux demandes des clients sur les produits IoT (Internet des Objets) compatibles avec l'ergonomie, l'accessibilité et l'harmonie avec l'environnement.

Pour les produits IoT, l'attente de taille est l'une des considérations les plus importantes, outre les propriétés radio et le prix. Idéalement, les ingénieurs préfèrent des composants IoT de petite taille, excellente performance RF (radiofréquence) et bas prix. Cependant, les composants IoT n'intègrent généralement pas tous ces avantages, confrontant les fournisseurs de solutions à des défis.

Heureusement, l'industrie électronique dépendant constamment de nouvelles technologies de processus silicium, les dernières années ont vu une taille de puces silicium de plus en plus petite. En intégrant le MCU (unité de contrôle microprogrammée) et le front-end RF dans une structure SoC (System on Chip), le problème d'espace a été résolu pour l'implémentation IoT. Cependant, la tendance vers le SoC n'a pas résolu le problème de la structure physique de l'émetteur RF, c'est-à-dire l'antenne. On laisse souvent la conception d'antenne aux clients ou on leur conseille de choisir un module d'antenne facile à utiliser avec antenne intégrée. L'espace pour l'antenne est un autre défi dans la conception de petits appareils IoT. La conception d'espace exige haute efficacité et capacité de connexion sans fil fiable.

Pourquoi le SoC ?

Au début du 21e siècle, l'IoT a connu son essor initial, l'industrie étant considérée comme M2M (machine à machine). Les composants pour l'interconnexion IoT incluent principalement modem GPRS, câble série Bluetooth ou radio Sub-G. Tous les designs utilisent deux composants principaux pour la connexion : MCU et modem sans fil. L'espace minimum pour fonctions IoT fondamentales est de 50 mm dans toutes les dimensions, soit la taille d'un téléphone portable.

Alors que l'industrie du silicium évolue vers l'intégration MCU et fonctions RF dans l'espace d'une puce, les développeurs saisissent plus d'opportunités. Maintenant, toutes les fonctions IoT peuvent être réalisées dans le même IC/SoC. Comme le MCU sans fil a des avantages évidents, le système de composants IoT se convertit vers le MCU sans fil. Les ingénieurs peuvent concevoir des appareils IoT avec un seul type de composant et économiser de l'espace. De plus, ils réduisent les coûts grâce au faible coût des composants. Comme les structures des appareils IoT modernes sont prêtes à être sélectionnées, les systèmes basés sur SoC seront plus populaires grâce à l'avantage de taille.

Néanmoins, la tendance SoC ne résout pas le problème de structure physique, c'est-à-dire l'antenne.

Comment organiser l'antenne et combien d'espace est requis ?

Il faut admettre que l'antenne fait face à une complexité multidimensionnelle car taille et efficacité doivent être considérées. Comme le coût de la nomenclature (BOM) est relativement faible, il est courant que l'antenne soit conçue par tracé PCB pour la conception IoT. Cependant, l'antenne PCB exige une taille remarquable, généralement 25 mm × 15 mm, augmentant le volume du produit IoT. Les antennes ont aussi un désavantage en modules : elles sont très sensibles au désaccordage dû aux matériaux de blindage et doivent être spécifiquement considérées lors de l'assemblage final pour atteindre l'état optimal. En conception SoC, l'accord d'antenne est obtenu selon connaissances spécialisées. Dans les designs, pas de différence entre antenne PCB et autre antenne.

Les fabricants d'antennes fournissent depuis longtemps des « antennes puce » pour simplifier le travail de conception. Ce type d'antenne a des avantages en taille. Cette catégorie est principalement fournie de deux façons :
a. Antenne découplée de la masse (GND). Nécessite une zone de dégagement relativement grande. Exemples typiques : antenne monopôle et antenne F inversée.
b. Antenne couplée à la masse. Nécessite seulement une zone de dégagement relativement petite ou pas d'antenne du tout.

Les deux types comportent une zone de dégagement ou plan de masse et exigence d'espace en taille PCB. L'espace requis par composants RF en conception IoT doit inclure la zone de dégagement nécessaire car aucun composant ou trace ne doit y être laissé. Donc, quand les concepteurs estiment la taille de l'équipement IoT, taille PCB et zone de dégagement doivent être notées compatibles avec l'antenne. De plus, un certain espace doit être maintenu entre antenne et bord du blindage.

Quand les appareils IoT sont conçus à la taille d'une pile bouton, l'efficacité de l'antenne est définitivement endommagée. En essayant de la rendre plus petite, l'efficacité pour la performance RF sera réduite. La performance d'appareil < 10 mm dans toutes dimensions ne sera atteinte qu'à la fréquence 2,4 GHz. Ex: connexion Bluetooth > 10 m pour utilisateurs téléphone, acceptée par la majorité.

Cependant, quand la taille approche 20 mm, l'efficacité RF augmente dramatiquement. À 40 mm, l'efficacité élevée de nombreuses antennes avec mise à la masse accordée atteint le maximum.

Cela signifie que la distance de communication entre deux appareils équivalents devrait être de 60 mm à 400 mm selon protocole Bluetooth 4.2. Avec protocole 802.15.4 (Zigbee par exemple), la plus longue distance en vue directe peut atteindre 500 m ou plus. Les concepteurs doivent donc équilibrer taille PCB et performance/efficacité antenne selon différences d'applications et taille ciblée car la plupart des antennes puce considèrent le plan de masse PCB comme une section de configuration d'antenne. De plus, la position antenne/module joue un rôle clé en phase de conception pour considérer la zone de dégagement et atteindre la mise à la masse optimale du module.