Les antennes virtuelles simplifient la conception d'antennes embarquées IoT

Les antennes ont toujours occupé une place contradictoire et parfois confuse dans le monde sans fil. D'un côté, elles sont simplement des transducteurs passifs entre l'énergie confinée dans les conducteurs (tension et courant) et l'énergie électromagnétique rayonnante et dispersée qui existe dans un vide ou dans l'air. D'un autre côté, elles sont disponibles dans une gamme déconcertante de modèles physiques, de configurations, de styles et de tailles. Depuis les prémices de l'ère sans fil (pensez à Marconi il y a plus d'un siècle), la conception et la fabrication des antennes sont passées par plusieurs phases majeures.

La première phase

Les premières antennes étaient basées sur l'une des deux structures fondamentales : l'antenne unipolaire avec un plan de masse associé (parfois appelée « antenne fouet ») (Figure 1) et le dipôle équilibré sans mise à la terre, dans différentes configurations, comme le dipôle replié (Figure 2). Même si les chercheurs et les ingénieurs savaient que les performances des antennes étaient en définitive régies par les quatre équations précises de Maxwell, l'utilisation de ces équations pour la conception des antennes n'était pas possible en raison de la complexité considérable de la modélisation et du calcul.

Figure 1 : L'antenne à long fil ou antenne fouet est une conception à un seul élément qui utilise un plan de masse (ici, le toit d'une voiture, à gauche). Le schéma de l'antenne montre sa simplicité (à droite). (Sources des images : Lihong Electronic [à gauche] ; Electronics Notes [à droite])

Figure 2 : L'antenne dipôle de base est une antenne symétrique équilibrée sans référence de masse (en haut), comme illustré dans le schéma (en bas). (Sources des images : TCARES.net [en haut] et Tutorials Point [en bas])

Par conséquent, l'analyse liée à l'antenne se limitait à des équations de base qui étaient utilisées pour dimensionner les éléments des antennes comme les antennes unipolaires, les dipôles, les antennes à long fil et quelques autres configurations. Ces équations étaient également modifiées en faisant appel à des règles générales, à l'intuition et à des essais sur le terrain. Par exemple, on savait que l'utilisation de gaines au lieu de fils fins pour les dipôles augmentait leur largeur de bande, ce qui pouvait être un avantage ou un inconvénient selon l'application. Le degré d'augmentation par rapport au diamètre de la gaine était estimé à l'aide d'indications basées sur l'expérience et sur des mesures de base. Même les discussions académiques sur la conception des antennes et leurs principes de fonctionnement ne comportaient que peu d'équations, hormis celles de base liées à la configuration par rapport à la longueur d'onde, comme indiqué clairement dans le document technique de 1926 pour l'antenne Yagi-Uda classique (Référence 1) (Figure 3).

Figure 3 : L'antenne Yagi de base (en haut) est une antenne à trois éléments, largement utilisée dans les applications commerciales, résidentielles et militaires. Les trois éléments (en bas) sont les suivants : un élément dipôle commandé (actif) avec un réflecteur passif derrière et un élément directeur passif devant, le tout monté sur une même perche. (Sources des images : EuroCaster/Denmark [en haut] ; RFWireless-World [en bas])

La deuxième phase

La deuxième phase d'innovation en matière de conception d'antennes a débuté avec la disponibilité de modèles et d'algorithmes capables de capturer les attributs des antennes, et exploitables sur ordinateur afin de résoudre les équations et les modèles de champ électromagnétique dans des délais raisonnables, tant que les modèles n'étaient pas trop compliqués.

Ces systèmes de résolution des problèmes sur le terrain ont permis aux concepteurs de nouvelles configurations d'antennes d'utiliser la combinaison de théorie sur les antennes et d'expérience sur le terrain pour proposer de nouvelles configurations, les modéliser et en quantifier les performances « sur le papier » sans avoir besoin de modèle physique ni de tests sur le terrain au cours des premières étapes de la conception. Cette approche fonctionnait dans une certaine mesure, mais restait tout de même une configuration plutôt aléatoire. Toutefois, elle a permis aux ingénieurs de se concentrer sur une conception d'antenne et de l'ajuster à maintes reprises jusqu'à ce qu'elle réponde aux objectifs du projet.

Le développement du premier avion furtif, le F-117 Nighthawk, dans l'usine légendaire Skunk Works de Lockheed (Références 2 et 3) constitue un exemple extraordinaire. Une grande partie du travail théorique sur la réduction de sa signature radar de plusieurs ordres de grandeur était basée sur des solutions analytiques et des équations complexes.

Ces équations analysaient la réflexion des champs électromagnétiques sur l'avion lorsque celui-ci était au cœur de signaux radar. L'objectif du projet était d'utiliser des choix uniques et peu conventionnels quant au matériau des panneaux de revêtement, à la forme, à la taille, aux angles, aux joints et autres éléments de conception, afin de réduire la tendance inhérente de ces surfaces à agir comme une antenne. Ainsi, l'avion rayonnait et réfléchissait à son tour l'énergie comme une antenne, ce qui le rendait invisible pour le récepteur du système radar.

La troisième phase est très différente

Nous entrons actuellement dans une nouvelle vague de conception d'antenne basée sur les modèles et qui aborde le défi en adoptant une perspective différente. Au lieu de compter sur une antenne dédiée pour rayonner un signal RF, le dispositif IoT (Internet des objets) ou le smartphone rayonne le signal directement depuis le plan de masse.

Pour ce faire, une antenne embarquée conventionnelle est remplacée par un amplificateur d'antenne NN03-320 DUO mXTEND d'Ignion (Figure 3). Il s'agit d'un composant passif de 7,0 millimètres (mm) de long × 3,0 mm de large × 2,0 mm de haut, soit à peu près un dixième de la taille d'une antenne traditionnelle (notez qu'Ignion s'appelait Fractus Antennas jusqu'en 2021).

Figure 4 : Le système NN03-320 DUO mXTEND d'Ignion est un composant passif miniature qui utilise le plan de masse du circuit imprimé d'un produit pour rayonner le signal RF. (Source de l'image : Ignion)

Avec sa technologie unique et brevetée d'antenne virtuelle — nom commercial de la technologie « sans antenne » basée sur une nouvelle génération de composants ultracompacts — cet amplificateur est toujours le même, quels que soient la taille ou le format de la carte à circuit imprimé. Le concepteur l'accorde aux bandes de fréquences souhaitées en créant et en ajustant la configuration des composants et les valeurs du réseau d'adaptation.

En d'autres termes, cette configuration crée une nouvelle synergie bénéfique entre l'amplificateur d'antenne et le plan de masse environnant. On pourrait comparer grossièrement cela à l'effet d'un petit circuit d'attaque audio piézoélectrique fixé à une table rigide : la table résonnerait et amplifierait ainsi considérablement le niveau de sortie audio résultant.

Les amplificateurs d'antenne d'Ignion sont des composants standard, prêts à l'emploi et à montage en surface, qui remplacent les antennes PIFA personnalisées conventionnelles et les antennes de circuit imprimé. Ils sont largement inférieurs à la longueur d'onde de fonctionnement, typiquement sous 1/30 ou 1/50 de la longueur d'onde, voire moins. Ils offrent une connectivité sans fil multibande entièrement fonctionnelle, ce qui permet à un seul composant d'amplificateur d'antenne de fonctionner efficacement dans plusieurs conceptions mobiles et sans fil. Cela réduit ainsi les délais de commercialisation, les investissements liés au développement du produit et, bien sûr, le coût. Par ailleurs, étant donné que les amplificateurs d'antenne sont physiquement construits comme des antennes monopuces, ils peuvent être installés à l'aide de systèmes automatisés conventionnels, ce qui permet de réduire les coûts de production et d'améliorer la qualité et la fiabilité.

Adaptation du système

Le réseau d'adaptation est essentiel pour atteindre les performances uniques de l'amplificateur. Même si l'amplificateur d'antenne est standard et peut être utilisé dans divers produits mobiles, le réseau d'adaptation nécessite une personnalisation pour chaque produit, mais il s'agit d'une étape de conception à réaliser une seule fois au tout début du processus.

En changeant le réseau d'adaptation, la réponse RF de l'amplificateur peut être personnalisée pour couvrir les différentes bandes de fréquences requises dans un smartphone ou un dispositif IoT moderne. Le dispositif IoT monobande le plus simple nécessite un réseau d'adaptation avec typiquement trois à cinq composants, tandis qu'un smartphone multibande peut exiger deux amplificateurs et cinq à huit composants à facteur Q élevé pour son réseau d'adaptation.

Ignion simplifie l'effort de conception grâce à un outil de développement gratuit qui permet au concepteur de placer virtuellement l'amplificateur en périphérie du circuit imprimé, de définir une zone « vide » sans composants autour de l'amplificateur, puis de calculer les composants passifs nécessaires pour le réseau d'adaptation. Pour le système NN03-320 à plusieurs ports, les réseaux d'adaptation calculés permettent au dispositif de couvrir plusieurs bandes et applications, notamment GNSS, Bluetooth, 5G et UWB, sur des fréquences de 1561 à 1606 mégahertz (MHz), de 2400 à 2500 MHz, de 3400 à 3800 MHz, de 3100 à 4800 MHz et de 6 à 10,6 gigahertz (GHz) (Figure 5).

Figure 5 : L'amplificateur d'antenne NN03-320 peut être utilisé pour différentes bandes et/ou pour plusieurs bandes lorsqu'il est combiné à un circuit d'adaptation approprié pour les composants passifs, entre la source RF et l'amplificateur. (Source de l'image : Ignion)

La fiche technique de l'amplificateur d'antenne virtuelle de 50 ohms (Ω) NN03-320 spécifie ses performances et son réseau d'adaptation optimisé à l'aide de paramètres d'antenne standard pour chaque bande, notamment le rendement, le gain de crête, le rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS), la polarisation et le diagramme de rayonnement.

Les notes d'application montrent des schémas de réseaux d'adaptation typiques comme à la Figure 6 et incluent un tableau des valeurs suggérées pour les composants passifs, pour chaque gamme de fréquences souhaitée. Même si ces valeurs servent de point de départ, elles doivent être ajustées pour prendre en compte les parasites imprévus ainsi que les effets des composants à proximité, comme les écrans ou les circuits intégrés.

Figure 6 : Ce schéma suggéré pour un réseau d'adaptation double bande s'accompagne également d'un tableau des valeurs suggérées pour les composants passifs afin de fournir un point de départ pour la conception, l'analyse et l'évaluation. (Source de l'image : Ignion)

Conclusion

Les amplificateurs d'antenne comme ceux d'Ignion constituent un moyen différent de rayonner de l'énergie RF en utilisant le plan de masse comme surface rayonnante. Ces amplificateurs passifs à montage en surface offrent une alternative aux configurations d'antennes embarquées conventionnelles pour les smartphones et les dispositifs IoT. Une seule antenne virtuelle peut couvrir différentes parties du spectre RF simplement en configurant de manière appropriée son réseau d'adaptation passif.

Références

1. Yagi, Hidetsu ; Uda, Shintaro, Proceedings of the Imperial Academy (février 1926). Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves (PDF).

2. Air Force Magazine, How the Skunk Works Fielded Stealth

3. Ben Rich, Skunk Works: A Personal Memoir of My Years of Lockheed