Les dispositifs compacts à faible consommation ont toujours été privilégiés, en particulier dans les secteurs de l’automobile et des produits portables intelligents, car les consommateurs souhaitent disposer de fonctionnalités de haute technologie dans un seul boîtier. En outre, la compatibilité des antennes sur circuit imprimé avec le réseau et leur grande résistance les rendent robustes et durables, ce qui permet de les intégrer dans la plupart des appareils électroniques grand public.
Les antennes sur circuit imprimé fonctionnant à haute fréquence permettent aux appareils de communiquer sur de longues distances en transformant les signaux électriques en ondes électromagnétiques. Les antennes sur circuit imprimé ont pour principal avantage de réduire la taille et le coût de maintenance du dispositif. Une antenne doit être compacte. Pour gagner en efficacité, plusieurs plans de microbandes sont reliés afin d’obtenir le gain recherché avec un encombrement minimal. La taille des plans dépend directement de la longueur d’onde de la fréquence de fonctionnement.
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Les antennes sur circuit imprimé se présentent sous différentes formes et tailles. Compte tenu de leurs nombreuses applications, leur conception est primordiale. Les techniques de conception d’une antenne sur circuit imprimé s’accompagnent de nombreux paramètres qui doivent être pris en compte.
Il existe différents types d’antennes sur circuit imprimé :
- Antenne cadre
- Antenne planaire
- Antenne en F renversé
Source Istockphoto
La conception des antennes joue un rôle essentiel dans les communications par émetteur-récepteur à faible puissance et à courte portée dans différents systèmes. La longueur d’onde de la fréquence de fonctionnement cible permet de déterminer la taille du plan lors de la conception.
Équation 1 : Calcul de la largeur et de la longueur
D’après l’équation ci-dessus, W correspond à la largeur de l’antenne planaire à microbandes, L correspond à la longueur de l’antenne planaire à microbandes et ЄR correspond à la constante diélectrique. Pour définir les dimensions d’une antenne planaire à microbandes lorsque la fréquence et la constante diélectrique du matériau utilisé sont connues, il est possible de se servir de la formule ci-dessus. Si la constante diélectrique du matériau n’est pas connue, les concepteurs doivent utiliser à la place la vitesse de propagation du signal.
Calcul des paramètres de l’antenne
Image 1 : Dimensions du substrat
Source Emtalk
Pour calculer les paramètres de l’antenne, il faut d’abord sélectionner le matériau du substrat, ainsi que la longueur et la largeur du matériau nécessaires, et la fréquence de fonctionnement de l’antenne. Le circuit imprimé doit être réalisé en matériau FR4 en raison de sa rigidité diélectrique élevée et de sa perméabilité relative de 4,4.
Équation 2 : Hauteur du substrat
L’équation ci-dessus permet de déterminer la hauteur du substrat, où hs est la hauteur du substrat, f est la fréquence (GHz), c’est la vitesse (m/s) et Єr est la constante diélectrique du substrat. La hauteur du substrat est l’un des principaux facteurs à prendre en compte pour élargir une antenne. La hauteur du substrat sélectionné est constante tout au long de la conception. La hauteur est fixée à 1,5 mm pour les matériaux tels que le FR4, le verre époxy et la bakélite.
Équation 3 : Largeur des pistes
L’équation ci-dessus permet de déterminer la largeur de la piste, où wt est la largeur de la piste. La conception et le calcul des pistes destinées aux signaux, à l’alimentation et à l’impédance doivent être effectués avec soin, car des réflexions importantes des signaux peuvent se produire lorsque la largeur des pistes est inadaptée. La largeur de piste minimale doit être de 0,152 mm (6 mils). Pour obtenir des tolérances élevées, la largeur de piste doit être comprise entre 0,254 et 0,3 mm (10 à 12 mils).
Équation 4 : Longueur de la piste
L’équation ci-dessus permet de déterminer la longueur de la piste, où Lt est la longueur de la piste, Σff est la permittivité effective et ΔL est la longueur physique. La résistance de la piste augmente en fonction de la longueur et de la largeur de la piste. Par conséquent, les pistes transportant des courants plus élevés doivent être aussi courtes que possible.
Équation 5 : Rapport largeur/profondeur
L’équation ci-dessus permet de déterminer le rapport entre la largeur et la profondeur de la microbande, où d est la largeur de la piste, w est la largeur du substrat et A est la surface effective. Le rapport idéal entre la largeur et la profondeur de la microbande pour un matériau FR4 de 50 ohms est d’environ 2:1.
Conception de l’antenne
Les antennes sont très sensibles à leur environnement. Par conséquent, pour les intégrer dans un circuit imprimé, il faut que la conception et la topologie soient adaptées aux besoins pour éviter de compromettre les performances du dispositif sans fil. Les performances de l’antenne dépendent de détails aussi infimes que le matériau, le nombre de couches et leur épaisseur.
Pour concevoir une antenne sur circuit imprimé, il faut tenir compte de plusieurs étapes, notamment :
1. Placement de l’antenne
Les antennes présentent différents modes de fonctionnement et il convient de les placer à certains endroits particuliers selon leur niveau de rayonnement. Par exemple, le long du côté court du circuit imprimé, le long du côté long du circuit imprimé, ou dans l’angle du circuit imprimé. Dans l’idéal, le meilleur endroit pour positionner une antenne est l’angle du circuit imprimé. En effet, un tel placement libère cinq directions spatiales pour l’antenne, l’alimentation se trouvant dans la sixième direction. Plusieurs conceptions d’antennes conviennent le mieux à différentes positions. Les concepteurs de circuits imprimés peuvent donc choisir l’antenne en fonction de leur application et de leur topologie.
Image 2 : Espacement omnidirectionnel d’une antenne
Source Mwrf
2. Zone d’exclusion
Les concepteurs doivent veiller strictement à ce que les composants ne soient pas placés dans le champ proche directement autour de l’antenne pour éviter toute interférence du signal susceptible de nuire aux performances du circuit. Il convient également de s’assurer que la zone autour de l’antenne est éloignée des objets métalliques, y compris des vis de montage.
Image 3 : Zone d’exclusion
Source : Proto-Electronics
L’antenne émet contre un plan de masse qui est associé à la fréquence de fonctionnement de l’antenne. Il est donc indispensable de prévoir une taille et un espacement adaptés au plan de masse de l’antenne.
3. Plans de masse
La taille du plan de masse sur un circuit imprimé est un facteur important à prendre en compte, car tous les fils utilisés pour communiquer avec les différents dispositifs et les batteries qui fournissent du potentiel au dispositif peuvent être affectés par une mauvaise conception. Les concepteurs doivent s’assurer du bon dimensionnement des plans de masse afin de limiter l’effet sur l’antenne des câbles et des batteries connectés au dispositif.
Image 4 : Plan de masse
Source Mwrf
Certaines antennes sur circuit imprimé dépendent du plan de masse, ce qui signifie que le circuit imprimé lui-même assure la mise à la masse de l’antenne afin d’équilibrer les courants de l’antenne et les couches inférieures du circuit imprimé, ce qui peut nuire aux performances de l’antenne. Dans ce cas, les concepteurs doivent s’assurer qu’aucune batterie n’est placée à proximité de l’antenne.
4. Proximité d’autres composants du circuit imprimé
Lors de la conception, il est essentiel de garder l’antenne intégrée à une distance suffisante des autres composants du circuit susceptibles d’interférer avec le rayonnement de l’antenne. La distance entre l’antenne et les autres composants varie en fonction de la hauteur et de la largeur du composant. Les composants tels que les batteries et les écrans LCD, les divers connecteurs tels que les câbles USB, HDMI et Ethernet ont des vitesses de commutation élevées qui augmentent les risques d’interférence des signaux pendant le fonctionnement du dispositif.
Image 5 : Proximité des composants du circuit imprimé
Source Mwrf
Par exemple, si on trace une ligne à un angle de huit degrés par rapport à la base de l’antenne, le composant doit idéalement se trouver à une distance de sécurité s’il est positionné sous cette ligne, comme indiqué sur l’image 4. Si d’autres antennes fonctionnent à proximité dans des gammes de fréquences similaires, des effets de désaccord peuvent se produire entre les antennes, car elles influent sur le rayonnement de chacune d’elles. Pour éviter ce problème, les antennes doivent être isolées d’au moins -10 dB à 1 GHz et -20 dB à 20 GHz. On peut y parvenir en augmentant la distance entre les antennes ou en les faisant pivoter de manière à ce qu’elles soient placées à 90 degrés ou à 180 degrés l’une de l’autre.
5. Conception de la ligne de transmission
La ligne de transmission d’une antenne est la piste RF qui transporte l’énergie radiofréquence dans les antennes sur circuit imprimé qui acheminent le signal vers la réception. La ligne de transmission doit être conçue à 50 Ω, sinon il est possible qu’elle réfléchisse les signaux vers la réception et provoque une dégradation du rapport signal/bruit (SNR), ce qui risque de provoquer un manque de sensibilité dans le récepteur radio.
La ligne de transmission est la piste RF qui transporte l’énergie radiofréquence dans les antennes sur circuit imprimé pour acheminer le signal vers la réception.
Image 6 : Conception de la ligne de transmission
Source Mwrf
La conception de la ligne de transmission doit être réalisée avec le plus grand soin. Tout d’abord, la ligne de transmission doit être droite, car les angles et les coudes sur la ligne augmentent les risques de pertes. Afin de minimiser les pertes de bruit et de signal dans les performances de l’antenne, il faut placer les via de manière régulière le long des deux côtés de la piste afin d’augmenter les performances en isolant le bruit qui circule dans les pistes voisines, comme le montre l’image 6.
Il convient d’utiliser les composants d’ajustement RF et la largeur des lignes de transmission afin de régler l’antenne pour un fonctionnement à une impédance caractéristique de 50 Ω. Les dimensions de la ligne de transmission peuvent affecter considérablement les performances du signal, car plus les lignes de transmission sont fines, plus elles sont vulnérables aux pertes. D’autre part, les lignes de transmission doivent être aussi courtes que possible pour que l’antenne puisse effectuer une meilleure transmission du signal à un rythme plus rapide avec des pertes minimales.
Techniques pour obtenir de meilleures performances
Image 7 : Amélioration des résultats
Source Istockphoto
Outre la conception, plusieurs méthodes permettent de gagner en efficacité et d’obtenir de meilleurs résultats en sortie des antennes sur circuit imprimé, notamment :
- L’utilisation de réseaux d’ajustement pour le réglage de l’antenne permet de compenser les facteurs qui risquent de nuire aux performances de celle-ci.
- Le plan de masse choisi doit être approprié pour éviter la diaphonie entre les signaux et l’antenne doit être placée dans une position optimale, c’est-à-dire en bordure du circuit imprimé.
- Les signaux d’antenne ne peuvent pas se déplacer à travers le métal. Il convient donc de ne pas modifier le boîtier externe de l’antenne pour éviter de perturber le signal.
- Le fait de placer une antenne à proximité de surfaces en plastique risque de compromettre les performances de l’antenne. La constante diélectrique du plastique est généralement plus élevée que celle de l’air, ce qui affecte de manière importante les signaux transmis en amortissant le signal RF et en créant des pertes. La constante diélectrique est ainsi plus élevée, ce qui augmente la longueur électrique de l’antenne et réduit sa fréquence de rayonnement.
- Afin d’éviter les problèmes de performance RF, il est fortement recommandé d’utiliser des cartes de circuits imprimés FR4 de qualité supérieure.
Conclusion
La conception d’une antenne sur circuit imprimé est un processus complexe, car plusieurs facteurs peuvent en compromettre les performances. Pour concevoir une antenne, il faut commencer par choisir un matériau (de préférence le FR4) avec des dimensions précises. Les pistes du circuit imprimé jouent également un rôle important, car les lignes de transmission transportent les signaux RF sur ces pistes. Les largeurs de piste doivent être conçues avec soin, car une largeur de piste inappropriée peut entraîner des problèmes tels qu’une réflexion accrue du signal. En ce qui concerne la longueur des pistes, leur résistance augmente avec la longueur. Par conséquent, les pistes qui transportent des courants élevés doivent être les plus courtes possible.
Lors de la conception d’une antenne sur circuit imprimé, le circuit imprimé doit être placé de manière à ce que l’antenne dispose d’un meilleur espace pour les émissions. Pour éviter les interférences du signal, les concepteurs doivent faire preuve de prudence lorsqu’il s’agit de placer des composants à proximité de la zone du champ de l’antenne.
En outre, les composants tels que les écrans LCD, les câbles HDMI et les câbles USB doivent être placés à une distance suffisante des autres composants du circuit, car leur vitesse de commutation est plus élevée, ce qui accentue les risques d’interférence des signaux. La conception des plans de masse doit être dimensionnée de manière appropriée, car les différentes connexions effectuées sur l’antenne, fils et batteries, ont un effet négatif sur les courants et les couches inférieures du circuit imprimé. Les lignes de transmission doivent être conçues à 50 Ω pour éviter de dégrader le signal. Elles doivent également être droites, sans coudes ni angles.
24/05/2022
