À mesure que de plus en plus d’appareils sont connectés à Internet de manière sans fil, les ingénieurs en électronique sont confrontés à de nombreux défis, tels que la façon d’intégrer des émetteurs radio dans l’espace disponible des équipements existants et la manière de concevoir et de fabriquer des dispositifs de taille toujours plus réduite. De plus, ils s’efforcent de répondre aux exigences des clients concernant des produits IoT (Internet des objets) compatibles avec l’ergonomie, offrant une accessibilité adaptée et en harmonie avec l’environnement.
Lorsqu’il s’agit de produits IoT, les attentes en matière de taille constituent l’un des critères les plus importants, auxquels s’ajoutent généralement les propriétés radio et le prix. Idéalement, les ingénieurs préfèrent des composants IoT de petite taille, offrant d’excellentes performances RF (radiofréquence) et des prix bas. Cependant, les composants IoT ne parviennent généralement pas à réunir tous les avantages mentionnés ci‑dessus, de sorte que les fournisseurs de solutions doivent faire face à des défis.
Heureusement, comme l’industrie de l’électronique dépend constamment de nouvelles technologies de procédés sur silicium, ces dernières années ont vu la taille des puces en silicium devenir de plus en plus petite. En intégrant l’unité de commande microprogrammée (MCU) et l’interface RF dans une structure SoC (system on chip), le problème d’encombrement 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 la question 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 nous leur conseillons de choisir un module d’antenne facile à utiliser avec antenne intégrée. L’espace réservé à l’antenne est un autre défi auquel nous devons faire face lorsque nous concevons de petits dispositifs IoT. La conception de l’espace exige une haute efficacité et une capacité de connexion sans fil fiable.
Pourquoi SoC ?
À 21stle siècle a vu l’essor initial de l’IoT, l’industrie étant alors considérée comme du M2M (machine à machine). Les composants contribuant à l’interconnexion de l’IoT incluent principalement le modem GPRS, le câble série Bluetooth ou la radio Sub-G. Tous les conceptions tirent parti de deux composants majeurs pour la réalisation de la connexion : le MCU et le modem sans fil. L’espace minimal suffisant pour la mise en œuvre des fonctions fondamentales de l’IoT est de 50 mm dans toutes les dimensions, ce qui signifie que la taille de tous les dispositifs est simplement celle d’un téléphone portable.
À mesure que l’industrie du silicium évolue constamment vers des technologies intégrant les fonctions MCU et RF dans l’espace d’une seule puce, les développeurs commencent à bénéficier de davantage d’opportunités. Ils peuvent désormais réaliser toutes les fonctions des appareils IoT au sein d’un même CI/SoC. En raison des avantages évidents du MCU sans fil, l’architecture des composants IoT commence à se convertir vers le MCU sans fil. Par conséquent, les ingénieurs sont en mesure de concevoir des appareils IoT avec un seul type de composant et ainsi gagner de l’espace. De plus, ils peuvent réduire les coûts grâce au faible coût des composants. Comme les architectures des appareils IoT modernes sont prêtes à être choisies, les systèmes basés sur SoC seront plus populaires en raison de leur avantage en termes de taille.
Néanmoins, la tendance de développement vers les SoC ne parvient pas à résoudre le problème de structure physique, à savoir l’antenne.
Comment disposer l’antenne et quel espace est nécessaire ?
Il faut reconnaître que l’antenne doit faire face à une complexité multidimensionnelle, puisque la taille et le rendement doivent tous deux être pris en compte. Étant donné que le coût de la nomenclature (BOM, bill of material) est relativement faible, il est courant que l’antenne soit conçue par traçage sur PCB pour les conceptions IoT. Cependant, l’antenne sur PCB impose une exigence de taille importante, généralement de l’ordre de 25 mm × 15 mm, ce qui conduit à un volume important du produit IoT. Les antennes présentent également un autre inconvénient lorsqu’elles sont utilisées dans des modules : elles sont très sensibles au désaccord de fréquence dû au matériau de blindage et doivent être prises en compte spécifiquement lors du processus d’assemblage du produit final afin d’atteindre l’état de fonctionnement optimal. Dans la conception SoC, dans le cadre d’une conception classique, l’accord de l’antenne est obtenu en s’appuyant sur certaines connaissances spécialisées. Dans ces conceptions, il n’y a aucune différence entre l’antenne sur PCB et les autres antennes.
Les fabricants d’antennes proposent depuis longtemps des « antennes puce » afin de simplifier le travail de conception. De plus, ce type d’antenne présente des avantages en termes de taille. Cette catégorie d’antennes est principalement fournie de la manière suivante :
a. Antenne découplée de la masse. Ce type d’antenne nécessite une plage de dégagement de taille relativement importante. Des exemples typiques de ce type d’antenne incluent l’antenne unipolaire et l’antenne de type flip-F.
b. Antenne couplée avec GNDCe type d’antenne n’a besoin de fournir qu’une plage de dégagement relativement réduite ou n’a pas besoin d’antenne du tout.
Les deux types d’antenne présentent une zone de dégagement ou un plan de masse ainsi qu’un besoin d’espace en termes de taille de PCB. L’espace requis par les composants RF dans la conception IoT doit également inclure la zone de dégagement nécessaire, puisqu’aucun composant ni aucune piste ne doivent y être placés, ce qui signifie que, lorsque les concepteurs estiment la taille de l’équipement IoT, la taille du PCB et la zone de dégagement doivent être prises en compte pour être compatibles avec l’antenne. De plus, un certain espace doit être maintenu entre l’antenne et le bord du blindage.
Lorsque les dispositifs IoT sont conçus pour avoir la taille d’une pile bouton, l’efficacité de l’antenne est inévitablement altérée. Lorsque nous essayons de réduire encore leur taille, l’efficacité nécessaire pour atteindre les performances RF diminue alors. Les performances d’un dispositif dont toutes les dimensions sont inférieures à 10 mm ne peuvent être atteintes qu’à la fréquence de 2,4 GHz. Par exemple, une connexion Bluetooth de plus de 10 mètres peut être fournie aux utilisateurs de téléphones portables, ce qui est accepté par la majorité.
Cependant, lorsque la taille dans toutes les directions approche 20 mm, l’efficacité de la RF augmente considérablement. Lorsqu’elle approche 40 mm, la haute efficacité de nombreuses antennes avec accord de mise à la terre atteint son niveau maximal.
Cela signifie ensuite que la distance de communication entre deux dispositifs équivalents doit se situer dans une plage de 60 mm à 400 mm conformément au protocole Bluetooth 4.2. Une fois le protocole 15.4 (par exemple Zigbee) appliqué, la plus grande distance de communication en champ visuel peut atteindre 500 mètres ou plus. Ainsi, les concepteurs doivent trouver un équilibre entre la taille du PCB et les performances et l’efficacité de l’antenne en fonction des différences d’applications et de la taille visée, car la plupart des antennes intégrées considèrent le plan de masse du PCB comme une partie de la configuration de l’antenne. En outre, la position de l’antenne / du module joue également un rôle clé lors de la phase de conception, de sorte que les concepteurs doivent prendre en compte la zone de dégagement afin d’obtenir une mise à la masse optimale du module.
