Équiper tout appareil sans fil d’une antenne implique de prendre plusieurs décisions. Dans cet article, partie 1 d’une série en deux parties, nous soulignons certaines des caractéristiques clés importantes lors du choix d’une antenne adaptée. Nous penchons sur la terminologie et les spécifications des antennes que vous rencontrerez en examinant n’importe quelle fiche technique. Les sujets abordés comprennent la gamme de fréquences dans laquelle le dispositif fonctionne, le gain de l’antenne et le diagramme de rayonnement. Les facteurs mécaniques tels que la protection contre les intrusions, le placement interne ou externe et la méthode de montage sont également importants.
Une bonne antenne est essentielle pour établir une liaison sans fil fiable et résiliente
Il est bien connu que nous avons tous déjà changé de place ou tenu notre téléphone portable en hauteur afin d’améliorer la réception dans une zone où la puissance du signal est faible. Les performances de toute liaison sans fil sont améliorées lorsqu’il n’y a aucun obstacle sur le chemin entre l’émetteur et le récepteur. Les arbres, les murs, les conditions météorologiques et le terrain absorbent les signaux de radiofréquence, ce qui réduit la distance sur laquelle les appareils peuvent établir une bonne liaison, qu’il s’agisse de données ou de voix. Équiper un appareil sans fil d’une antenne bien adaptée atténue l’impact des facteurs qui réduisent la puissance du signal. Une antenne optimale garantit que la puissance maximale des radiofréquences générées par la phase finale de l’émetteur soit diffusée dans l’air ; de même pour la détection du signal par l’antenne du récepteur, qui peut alors être traité de la meilleure façon. Comme nous le découvrirons dans la partie 2, le câble de connexion, techniquement appelé ligne de transmission, et les connecteurs associés ont également un impact sur les performances de l’antenne.
Paramètres de l’antenne
Pour faire simple, une longueur de câble est une antenne, et il existe une relation entre la longueur optimale du câble pour une utilisation à une fréquence particulière. Le terme longueur d’onde fait référence à la distance entre les pics adjacents d’un signal sans fil. Il est utilisé pour déterminer la longueur et les caractéristiques physiques d’une antenne et indique le point de résonance. Par exemple, un signal Wi-Fi fonctionnant à 2,4 GHz a une longueur d’onde de 12,5 cm, selon la formule : longueur d’onde en mètres (m) = vitesse de la lumière/fréquence (Hz). La vitesse de la lumière est une constante de 299 792 458 m/s, souvent évaluée à 3×108. La longueur d’une antenne est décrite par rapport à sa longueur d‘onde de fonctionnement, par exemple, un quart d’onde, une demi-onde ou une onde complète.
La plupart des méthodes de communication sans fil pour la voix et les données utilisées aujourd’hui, tel que le Wi-Fi, le Bluetooth, la communication cellulaire (4G – 5G) et les applications ISM (industrielles, scientifiques et médicales) impliquent des fréquences comprises entre 400 MHz et 3,4 GHz. À ces fréquences, la longueur physique de l’antenne devient de plus en plus courte, ce qui autorise diverses méthodes de fabrication, notamment directement sur circuit imprimé.
De nombreuses antennes, en particulier celles utilisées pour des applications dans les domaines de l‘automobile, du transport et de la télémétrie, sont en fait équipées de plusieurs antennes internes afin de prendre en charge le Wi-Fi, GPS/GNSS, véhicule à véhicule/véhicule à infrastructure/véhicule à tout (V2V/V2I/V2X) et la communication cellulaire LTE. L’Optimus MA220 de Taoglas en est un exemple. Voir la figure 1. Cette antenne à montage externe est conforme à la norme d’étanchéité IP67.
Gain de l’antenne : la conception et la construction de certaines antennes les rendent plus efficaces concernant le rayonnement et la réception comparés à un modèle d’antenne standard. Sur la fiche technique, ce facteur est appelé « gain » et est mesuré en dBi (dB isotrope). Par exemple, la figure 2 illustre les performances de l’antenne Taoglas MA220 pour les communications cellulaires LTE.
Diagramme de rayonnement : certaines antennes ont des capacités directionnelles, ce qui signifie qu‘elles sont plus efficaces pour rayonner et recevoir dans certaines directions ou dans des plans spécifiques. Une antenne avec un diagramme de rayonnement isotrope signifie qu‘elle émet la même quantité d’énergie dans toutes les directions. Une antenne omnidirectionnelle rayonne la même quantité d’énergie sur un plan spécifique, horizontalement ou verticalement.
Impédance d’antenne : l’impédance d’une antenne change avec la fréquence. Il est essentiel d’adapter l‘antenne en fonction de l’impédance qui résulte de la puissance de l‘émetteur et, de même, au niveau de l’entrée du récepteur. Dans la partie 2 de cet article, nous verrons également comment l‘impédance du câble de connexion et des connecteurs est également essentielle pour qu’ils soient en bonne adéquation. Une impédance de 50 ohms est un standard répandu.
Bande passante d’antenne : la gamme de fréquences sur laquelle l’antenne est efficace est appelée la bande passante. La bande passante est généralement indiquée sur la base d‘une fréquence centrale. L’antenne Wi-Fi sur circuit imprimé de Molex est un exemple d’antenne sur circuit imprimé.
Elle possède une bande passante de 100 MHz sur une fréquence centrale de 2,45 GHz, une impédance de 50 Ohm et un gain de 3,2 dBi.
VSWR (« voltage standing wave ratio » (rapport d’onde stationnaire)) et perte de retour : la perte de retour mesure la qualité de l’adaptation d‘une antenne par rapport à un émetteur et à sa ligne de transmission (le câble coaxial). La perte de retour mesure la quantité de puissance réfléchie vers l’émetteur au lieu d’être rayonnée et est mesurée en dB. Plus le chiffre (négatif) est élevé, meilleures sont les performances de l’antenne. Le rapport d’onde stationnaire (VSWR) est une autre façon de mesurer l’affaiblissement de retour. Une antenne doit avoir une perte de retour supérieure à -10 dB (VSWR 2). La figure 4 illustre les caractéristiques de perte de retour de l’antenne cellulaire GA110 de Taoglas.
Mesure des paramètres de l’antenne
Un analyseur de réseau vectoriel (ARV) est utilisé pour mesurer les caractéristiques d’impédance et les pertes de retour d‘une antenne accompagné de sa ligne de transmission. Les ARV portables et bon marché (< 150 euros) offrent une qualité de mesure adéquate, mais un appareil plus professionnel monté sur un banc et coûtant plus de 5 000 euros est plus adapté au travail en laboratoire. Les analyseurs de spectre RF haut de gamme intègrent souvent une fonction ARV. Un ARV aide également pour la conception adéquate des réseaux de condensateurs et appareils à base d’inductances entre l’émetteur et la ligne de transmission.
Les paramètres figurant sur les fiches techniques des antennes ne sont plus un mystère
Ce court article explique certains des principaux paramètres de spécification que vous rencontrerez probablement en lisant une fiche technique d’antenne. Grâce à ces informations, vous aurez une meilleure idée pour déterminer quelle est l’antenne qui conviendrait le mieux à votre utilisation, ce qui d’ailleurs, vous permettra d’obtenir des performances optimales. Dans la partie 2, nous étudierons le rôle des câbles d’antenne et des connecteurs d’antenne les plus répandus.
