PIFA ProAnt - Antennes planes en F inversé

Sur le marché de l'électronique actuel, la connectivité sans fil est devenue une fonctionnalité de plus en plus importante. Il en résulte une demande accrue de composants associés à la communication sans fil, notamment les antennes.

Dans ce blog, nous allons nous concentrer sur un type d'antenne : l'antenne plane en F inversé (PIFA), qui peut être utilisée dans diverses applications sans fil. L'antenne PIFA est une antenne unipolaire spécialisée (avec une dérivation de court-circuit) basée sur l'antenne en F inversé (Figure 1). L'antenne PIFA (Figure 2) est un type d'antenne en F inversé équipée d'une plaque supérieure au lieu d'un seul fil.

Antenne en F inversé typique (à gauche) et antenne PIFA typique (à droite). (Source des images : ProAnt)

Les antennes patch et les antennes PIFA sont similaires au sens où elles sont intrinsèquement à bande étroite. Cependant, l'intégration de différentes techniques, comme des éléments parasites à la masse et des fentes de découpe dans la plaque, peut élargir la bande passante d'une antenne PIFA. De plus, l'utilisation de ces techniques permet de modifier la taille de la plaque supérieure, ce qui permet de créer des antennes plus petites et de réduire l'espace requis sur la carte.

Figure 3 : L'utilisation d'une antenne PIFA permet de monter un module RF et d'autres composants sous l'antenne. (Source de l'image : ProAnt)

Vous pouvez également modifier la taille de l'antenne PIFA en utilisant des charges supérieures. Cependant, cela a des conséquences. Pour atteindre des fréquences plus basses, il est possible d'ajouter de petites capacités à l'extrémité de l'antenne. Néanmoins, cela dégrade les capacités de rayonnement. L'utilisation de cette méthode peut aider à atteindre un équilibre optimal entre la taille et les performances pour une application donnée.

L'antenne étant placée parallèlement et au-dessus de la carte à circuit imprimé, l'emplacement des broches de montage constitue le seul espace requis sur la carte. Il s'agit d'un gros avantage de l'utilisation des antennes PIFA. De plus, il n'existe aucun dégagement requis avec le sol ou d'autres éléments métalliques. Cela signifie qu'il est possible de monter d'autres composants sous l'antenne sur les deux faces de la carte à circuit imprimé (Figure 3).

La dérivation de court-circuit, mentionnée précédemment, sert à adapter l'impédance de l'antenne au reste du circuit. Les antennes unipolaires, étant naturellement capacitives, nécessitent l'ajout d'une inductance afin de pouvoir adapter l'antenne à l'impédance optimale (généralement 50 Ω). La dérivation de court-circuit fournit cette inductance d'adaptation d'impédance. Moins de composants passifs sont donc nécessaires pour adapter l'impédance. Avec moins de composants, il y a moins de pertes parasites et donc un rendement de rayonnement plus élevé.

Figure 4 : Exemples de diagrammes de rayonnement et de polarisation d'une antenne PIFA. (Source de l'image : ProAnt)

Selon l'application, les antennes PIFA ont tendance à présenter une largeur de bande modérée à élevée et un diagramme de rayonnement omnidirectionnel à polarisation mixte (Figure 4). De plus, les antennes PIFA résistent parfaitement aux changements environnementaux grâce à leur solide connexion au plan de masse du circuit imprimé via la dérivation de court-circuit. Les antennes PIFA ont donc tendance à maintenir un diagramme de rayonnement efficace, tandis que les autres types d'antennes ont tendance à dériver en fréquence et à perdre des capacités de rayonnement en cas de changements environnementaux sous-optimaux (par exemple, en cas de fonctionnement à proximité de métal).

Conclusion

Les antennes sont nécessaires pour une multitude d'applications, fixes et mobiles, avec une variété de protocoles de communication et de fréquences. Le choix de la technologie d'antenne peut être essentiel pour une connectivité sans fil stable.

Alors que certains types d'antennes ne conviennent généralement que pour des applications dans lesquelles la direction du rayonnement est constante et toujours connue (antennes patch en céramique, par exemple), les antennes PIFA offrent une plus grande flexibilité. La technologie PIFA offre un diagramme de rayonnement omnidirectionnel avec une polarisation mixte. Cela s'avère très utile dans les applications fixes, mais peut s'avérer particulièrement bénéfique avec les dispositifs mobiles utilisés dans des environnements en constante évolution, comme les dispositifs corporels, car les antennes PIFA restent très stables quel que soit l'environnement.

Références :

1 – Note technique ProAnt 23/08/2016 – Antennes planes en F inversé (PIFA)