Trois façons dont votre antenne vous trompe

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Trois façons dont votre antenne vous trompe


Chaque appareil Internet des objets (IoT) a besoin d’une antenne.

L’antenne est cruciale: elle peut faire ou interrompre la communication avec vos appareils. Une bonne antenne vous donnera une bonne portée sans fil. Une mauvaise antenne peut empêcher vos appareils d’être joignables sur le terrain.

Les appareils IoT sont conçus pour être petits, avoir une longue portée sans fil et une longue durée de vie de la batterie. Tout cela affecte la conception de l’antenne.

Nous avons précédemment examiné où placer les appareils pour optimiser la force du signal et vérifier la réalité de la théorie.

Mais cela nécessite que les appareils aient de bonnes antennes.

Alors, qu’est-ce qui fait une bonne antenne? Et comment cette antenne peut-elle vous tromper?

Aujourd’hui, nous allons voir ce qu’il faut éviter lors du choix d’une antenne pour votre appareil IoT.

Bases de l’antenne

Tout d’abord, regardons les bases des antennes.

Le principe de base est le même pour toutes les antennes: elles rayonnent de l’énergie pendant la transmission et absorbent l’énergie pendant la réception.

Mais c’est là que s’arrêtent les similitudes.

PCB Antennes

Le circuit imprimé (PCB) est peut-être le type d’antenne le plus économique.

Comme son nom l’indique, un PCB l’antenne est imprimée sur le circuit imprimé lui-même. L’antenne est constituée d’une trace de cuivre sur le circuit imprimé.

PCB les antennes sont peu coûteuses à produire, car aucune puce ou composant supplémentaire n’est nécessaire.

Ils ne sont pas non plus trop compliqués à concevoir. Il existe de nombreux modèles de référence disponibles, souvent des fabricants de puces radio. Les modèles de référence sont libres d’utilisation, sont disponibles dans de nombreuses saveurs pour s’adapter à la bande de fréquences et aux exigences d’espace que vous pourriez avoir. Ils fonctionnent également assez bien.

Deux très compétitifs PCB les antennes sont l’antenne hélicoïdale PCB, pour les appareils sub-GHz, et le PIFA antenne, pour les appareils 2,4 GHz. À la fois très compacts, faciles à mettre en œuvre et performants.

L’inconvénient d’un PCB l’antenne est qu’elle utilise de l’espace sur le PCB. Si l’appareil est conçu pour être petit, cela peut être un problème important.





Exemple, un sous-GHz sinueux PCB antenne compacte et performante.

Antennes à puce

Les antennes à puce sont de petits composants électriques placés sur le PCB avec tous les autres composants. Ils sont compacts et peuvent bien fonctionner – souvent mieux qu’une antenne PCB.

Mais de nombreuses antennes à puce sont soumises à des restrictions de conception qui peuvent les faire utiliser plus d’espace qu’il n’y paraît à première vue. Par exemple, l’antenne puce peut exiger que les composants environnants soient placés à une certaine distance les uns des autres. Et l’antenne à puce peut avoir besoin d’un grand plan de masse, qui utilisera également de l’espace sur le PCB

Les antennes à puce coûtent également plus que PCB antennes. Il y a à la fois le coût du composant lui-même et les coûts associés à l’approvisionnement des composants, au stockage des composants, etc.

Antennes fouet

Les antennes fouet sont le type d’antennes qui sortent dans l’air de l’appareil. Ils pourraient être aussi simples qu’un fil nu soudé sur le PCB. Ou pourrait avoir l’aspect plastique qui est commun sur les routeurs WiFi.

Les antennes fouet sont de plusieurs types. De façon confuse, deux antennes qui se ressemblent beaucoup peuvent se comporter très différemment. Et deux antennes qui semblent très différentes peuvent se comporter de manière très similaire.

Une antenne de base n’est en réalité qu’un conducteur avec un chemin de retour – c’est vrai pour toutes les antennes. En faisant varier la forme du conducteur et le chemin de retour, nous pouvons obtenir différents types de comportement.

Considérez une antenne à fil nu soudée à un PCB, dépassant dans les airs. C’est le chef d’orchestre. Le chemin de retour est souvent le plan de masse sur le PCB.

Maintenant, tournez ce fil nu en cercles, et vous obtenez une antenne fouet hélicoïdale. Mettez-le dans du plastique, ajoutez un connecteur à visser et vous obtenez l’antenne typique des routeurs WiFi.





Les antennes fouets sont souvent des antennes hélicoïdales dans une coque en plastique. Ici, nous voyons deux faits pour des groupes différents.

Autres types d’antennes

Il existe une large gamme de types d’antennes différents conçus pour toute une gamme de types de communication. Mais pour la gamme de fréquences 1-2 GHz, celle utilisée dans les appareils IoT, les antennes ci-dessus sont les plus courantes.

Trois façons dont votre antenne vous trompe

Alors, comment l’antenne va-t-elle gâcher la fête?

Problème 1: il est fait pour un autre groupe

Les antennes doivent être réglées sur la bande de fréquences dans laquelle elles doivent fonctionner.

Nous choisissons la bande de fréquences en fonction du cas d’utilisation et des réglementations, et nous optons généralement pour les sous-GHz sans licence ISM-bandes (industrielles, scientifiques, médicales).

Mais le sous-GHz ISM le groupe n’est pas le même à travers le monde.

Les fréquences exactes dépendent de la région dans laquelle l’appareil fonctionnera. Etats-Unis utilise la bande 902-928 MHz, régulée via FCC CFR 15.247, et l’Europe utilise la bande 863-870 MHz, via ETSI EN 300.220.

Désormais, pour qu’une antenne rayonne et absorbe efficacement l’énergie, elle est conçue pour une bande de fréquences spécifique. C’est comme un diapason pour accorder un piano – la taille de la fourche affectera le son sur lequel il résonnera. Une antenne est similaire – vous pouvez la régler en la rendant plus courte ou plus longue.

Les antennes peuvent être multi-bandes, c’est-à-dire qu’elles conviennent à plus d’une, ou à un très large ensemble de fréquences. Souvent, le compromis ici est que l’antenne est légèrement moins performante qu’une antenne à bande unique.

Les métriques les plus importantes concernant le réglage sont principalement VSWR (Rapport d’onde stationnaire de tension) et bande passante.

VSWR peut être décrit comme la qualité de l’accord de l’antenne sur la source – le chemin de transmission auquel elle est connectée. Il décrit la quantité d’énergie réfléchie dans l’émetteur au lieu d’être rayonnée par l’antenne. Un rapport de 2: 1 est un bon rapport, et 4: 1 ou plus nécessite de bien regarder le réglage.

La bande passante est plus ou moins la bande de fréquences pour laquelle l’antenne a un VSWR de 2: 1 ou mieux.

Étant donné que l’aspect de l’antenne indique très rarement à quelle bande l’antenne est conçue, c’est quelque chose qui doit être appris à partir de la fiche technique de l’antenne.

Cela signifie que les antennes ne sont pas interchangeables et que vous devez savoir quelle bande vous utiliserez et que l’antenne est destinée à cette bande.





Bon réglage pour la bande 915 MHz, mais pas pour 863 MHz. La source.

Problème 2: il est conçu pour un autre appareil

Chaque antenne a des exigences sur l’appareil auquel elles sont attachées.

L’antenne comporte deux éléments de base: un radiateur et un chemin de retour à faible impédance vers la terre, également appelé contrepoids. La longueur du radiateur dépend de la fréquence d’utilisation. Par exemple, une longueur d’onde complète à 915 MHz est d’environ 33 cm – c’est une grande antenne. Une fréquence plus basse équivaut à une longueur d’onde plus longue.

Heureusement, les antennes peuvent être divisées en demi-longueur, troisième et quart d’onde. Pour une réduction supplémentaire de l’espace, le radiateur peut être tordu en une hélice. Ceci est courant avec les antennes fouet, ce qui rend encore plus difficile de distinguer les antennes en dehors de leur apparence.

Voici la partie délicate. Les antennes peuvent être fournies avec ou sans contrepoids, appelés respectivement monopôle et dipôle. Avec les antennes fouet, lorsqu’un contrepoids est inclus (c’est-à-dire une antenne dipôle), il s’agit généralement d’un tuyau métallique avec un radiateur sur le dessus. Lorsqu’une antenne unipolaire est utilisée, le produit doit en fournir une, par exemple en tirant parti d’une enceinte métallique.

Avec les antennes à puce, il doit souvent y avoir un plan de masse important. Cela rend les revendications de faible encombrement plus complexes que l’empreinte de la puce elle-même – vous devez également prendre en compte l’espace de la carte de contrepoids.





Les antennes peuvent avoir des exigences telles qu’un grand plan de masse. Assurez-vous de porter une attention particulière à la fiche technique et de voir qu’elle correspond aux exigences de votre produit.

Une autre complexité est l’impédance caractéristique de l’antenne. La plupart des produits et antennes de cet espace utilisent une impédance normalisée de facto de 50 ohms, mais les produits spécialisés peuvent utiliser 75 ou 100 ohms.

Par conséquent, non seulement vous devez regarder la bande pour laquelle l’antenne est destinée, mais vous devez également vérifier s’il s’agit d’une antenne monopolaire ou dipolaire et, le cas échéant, de l’impédance. Vous devez savoir ce qui fera office de contrepoids, qu’il s’agisse du boîtier, du plan de masse ou de l’antenne.

Problème 3: La directivité et la réglementation peuvent différer

Nous avons mentionné les exigences réglementaires ci-dessus. Comme une surprise pour personne, ils imposent également un maximum ERP – Puissance rayonnée efficace. Il s’agit d’une limite stricte et vous ne pouvez pas la dépasser.

La puissance d’émission est ici mesurée en mW ou dBm et 0 dBm est 1 mW. Une limite commune est de 25 mW, soit +14 dBm.

Les antennes ne rayonnent généralement pas selon un motif sphérique, uniforme dans toutes les directions. Une telle antenne idéale est dite isotrope. Les antennes réelles détourneront une partie de cette énergie dans des directions spécifiques, selon la façon dont elles sont construites. Le modèle de puissance qui en résulte peut ressembler à un beignet.

La métrique d’un tel gain de directionnalité est mesurée en dBi, c’est-à-dire dans quelle mesure elle différerait d’une antenne isotrope idéale.





Exemple de diagramme de rayonnement d’un PCB antenne. Le motif est omnidirectionnel – proche de l’isotrope dans deux dimensions et anisotrope dans la troisième.

Une réglementation, par exemple FCC 15,247 pour la bande 915 MHz, autorise une puissance de sortie moyenne, c’est-à-dire qu’une certaine directivité est correcte. Par contre, une forte directivité, c’est-à-dire un diagramme d’antenne très anisotrope, vous oblige à réduire la puissance d’émission.

Assurez-vous de savoir quelles réglementations s’appliquent, à quoi ressemble le diagramme de rayonnement autour de votre antenne et, par conséquent, ce qui est nécessaire pour obtenir l’acceptation réglementaire.

Certaines fiches techniques d’antenne indiquent un diagramme de rayonnement mesuré dans des conditions ne correspondant pas à votre produit. Si tel est le cas, vous devez le mesurer vous-même.

Problème bonus: mauvais connecteur

Vous avez donc choisi une antenne externe avec connecteur à visser. Ne pas paraître alarmiste, mais vous pourriez avoir des ennuis.

L’organisme de réglementation du Etats-Unis, FCC, ne souhaite pas que l’utilisateur final puisse remplacer l’antenne lui-même. L’utilisateur final peut utiliser une antenne inadaptée au produit, déséquilibrant le réglage et se retrouver ainsi avec un émetteur très bruyant qui pollue le spectre.

Ainsi, le concepteur du produit doit utiliser une connexion non standard, propriétaire ou permanente à l’antenne. Le connecteur régulier à polarité inversée est cependant suffisant.





Une sélection de connecteurs d’antenne. Ce sont ceux que la plupart des antennes fouet utilisent.

Conclusion

Chaque appareil IoT a besoin d’une antenne.

Mais choisir la bonne antenne n’est, comme nous l’avons vu, pas toujours facile. Une bonne antenne donnera à votre appareil une grande portée et une faible consommation d’énergie. Une mauvaise antenne peut, dans le pire des cas, rendre les appareils impossibles à atteindre sur le terrain.

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