Considérations relatives à la conception d'antennes dans la conception IoT

Alors que de plus en plus d'appareils sont connectés à Internet par des moyens sans fil, les ingénieurs en électronique sont confrontés à de nombreux défis tels que la façon de fabriquer un émetteur radio assemblé pour présenter l'espace de l'équipement et comment concevoir et fabriquer des appareils avec des tailles de plus en plus petites. De plus, ils s'efforcent de répondre aux demandes des clients sur les produits IoT (Internet des objets) compatibles avec l'ergonomie, l'accessibilité applicable et l'harmonie avec l'environnement.

Lorsque les produits IoT sont pris en compte, la taille attendue est l'une des considérations les plus importantes, à part les propriétés radio et le prix qui sont également couramment pris en compte. Idéalement, les ingénieurs préfèrent les composants IoT de petite taille, d'excellentes performances RF (radiofréquence) et à bas prix. Cependant, les composants IoT ne présentent généralement pas tous les avantages mentionnés ci-dessus, les fournisseurs de solutions doivent donc être confrontés à des défis.

Heureusement, comme l'industrie électronique dépend constamment d'une toute nouvelle technologie de traitement du silicium, ces dernières années ont vu des puces de silicium de plus en plus petites. En intégrant le MCU (unité de contrôle microprogrammée) et le frontal RF dans la structure SoC (système sur puce), le problème d'espace a été résolu avec succès pour la mise en œuvre de l'IoT. Cependant, la tendance de développement vers le SoC n'a pas résolu le problème concernant la structure physique de l'émetteur RF, c'est-à-dire l'antenne. Nous laissons généralement la conception de l'antenne aux clients ou leur conseillons de choisir un module d'antenne facile à utiliser avec antenne intégrée. L'espace pour l'antenne est un autre défi auquel nous devons faire face lorsque nous concevons de petits appareils IoT. La conception de l'espace exige une haute efficacité et une capacité de connexion sans fil fiable.

Pourquoi SoC ?

Comme 21 ^er siècle a vu l'épanouissement initial de l'IdO, l'industrie était considérée comme M2M (machine à machine). Les composants contribuant à l'interconnexion IoT comprennent principalement le modem GPRS, le câble série Bluetooth ou la radio Sub-G. Toutes les conceptions tirent parti de deux composants principaux pour la réalisation de la connexion :MCU et modem sans fil. L'espace minimum suffisant pour la mise en œuvre des fonctions IoT fondamentales est de 50 mm dans toutes les dimensions, ce qui signifie que la taille de tous les appareils n'est que celle d'un téléphone portable.

Alors que l'industrie du silicium évolue constamment vers la technologie qui intègre les fonctions MCU et RF dans l'espace d'une seule puce, les développeurs commencent à saisir davantage d'opportunités. Désormais, ils peuvent réaliser toutes les fonctions des appareils IoT au sein du même IC/SoC. Étant donné que le MCU sans fil présente des avantages évidents, le système de composants IoT commence à se convertir en MCU sans fil. En conséquence, les ingénieurs sont en mesure de concevoir des dispositifs IoT avec un seul type de composants et d'économiser de l'espace. De plus, ils sont capables de réduire les coûts grâce au faible coût des composants. Alors que les structures des appareils IoT modernes sont prêtes à être sélectionnées, les systèmes basés sur SoC seront plus populaires en raison de leur taille avantageuse.

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

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

Il faut admettre que l'antenne doit faire face à la complexité sur de multiples dimensions puisque la taille et l'efficacité doivent être prises en compte. Étant donné que le coût de la nomenclature (nomenclature) est relativement faible, il est courant que l'antenne soit conçue via le traçage de PCB pour la conception IoT. Cependant, l'antenne PCB nécessite une exigence de taille remarquable qui se situe généralement dans la plage de 25 mm × 15 mm, ce qui entraîne un volume important de produits IoT. Les antennes présentent également un autre inconvénient lorsqu'elles sont appliquées dans des modules, c'est-à-dire qu'elles sont très sensibles au désaccord en raison du matériau du blindage et doivent être spécifiquement prises en compte dans le processus d'assemblage du produit final afin d'atteindre l'état de fonctionnement optimal. Dans la conception SoC, dans le cadre de la conception ordinaire, le réglage de l'antenne est obtenu en fonction de certaines connaissances spécialisées. Dans les conceptions, il n'y a aucune différence entre l'antenne PCB et une autre antenne.

Les fabricants d'antennes proposent depuis longtemps des "antennes à puce" afin de simplifier le travail de conception. De plus, ce type d'antenne présente des avantages en terme d'encombrement. Cette catégorie d'antennes est principalement fournie par les moyens suivants :
a. Antenne découplée avec GND. Ce type d'antenne demande une portée de dégagement de taille relativement importante. Des exemples typiques de ce type d'antenne incluent l'antenne unipolaire et l'antenne flip-F.
b. Antenne couplée à GND. Ce type d'antenne n'a besoin que d'une plage de dégagement relativement petite ou n'a pas besoin d'antenne du tout.

Les deux types d'antennes présentent une plage de dégagement ou un plan de mise à la terre et un encombrement en termes de taille de PCB. L'espace appelé par les composants RF dans la conception IoT doit également inclure la plage de dégagement nécessaire car aucun composant ou trace ne doit être laissé ici, ce qui signifie que lorsque les concepteurs estiment la taille de l'équipement IoT, la taille du PCB et la plage de dégagement doivent être remarquées compatibles avec antenne. De plus, un certain espace doit être maintenu entre l'antenne et le bord du blindage.

Lorsque les appareils IoT sont conçus pour avoir la taille d'une pile bouton, l'efficacité de l'antenne est définitivement endommagée. Lorsque nous essayons de réduire sa taille, l'efficacité pour obtenir des performances RF sera ensuite réduite. Les performances d'un appareil de moins de 10 mm dans toutes les dimensions ne seront atteintes qu'à la fréquence de 2,4 GHz. Par exemple, une connexion Bluetooth sur 10 mètres peut être fournie aux utilisateurs de téléphones portables, ce qui est accepté à la majorité.

Cependant, lorsque la taille dans toutes les directions approche 20 mm, l'efficacité de la RF sera considérablement augmentée. Lorsqu'il approche de 40 mm, le rendement élevé de nombreuses antennes avec réglage de mise à la terre atteint son maximum.

Cela signifie par la suite que la distance de communication entre deux appareils équivalents doit être comprise entre 60 mm et 400 mm conformément au protocole Bluetooth 4.2. Une fois le protocole 15.4 (zigbee par exemple) appliqué, la distance de communication la plus longue dans une portée visuelle peut atteindre 500 mètres ou plus. Ainsi, les concepteurs doivent équilibrer la taille du PCB et les performances et l'efficacité de l'antenne en fonction des différences d'applications et de la taille ciblée, car la plupart des antennes à puce considèrent toutes le plan de mise à la terre du PCB comme une section de la configuration de l'antenne. De plus, la position de l'antenne/du module joue également un rôle clé dans la phase de conception, de sorte que les concepteurs doivent tenir compte de la plage de dégagement pour obtenir une mise à la terre optimale du module.