Optimisation des performances d’antennes dans les appareils IoT compacts : considérations cruciales sur le plan de masse

Dans l’univers des appareils IoT, caractérisé par des composants toujours plus compacts, les antennes cellulaires émergent comme des éléments essentiels, facilitant la connectivité et la communication. Cependant, intégrer une antenne cellulaire efficace dans un appareil de petite taille n’est pas exempt de défis. Parmi ces défis, le contrôle du plan de masse, élément crucial de la performance de l’antenne, doit être particulièrement pris en considération. Cet article explore le monde complexe et captivant des antennes cellulaires dédiées aux petits appareils de l’Internet des objets, en mettant particulièrement l’accent sur l’importance des facteurs liés au plan de masse.

L’importance des antennes cellulaires dans les dispositifs IoT

Les antennes cellulaires permettent aux appareils IoT de transmettre et de recevoir des signaux sur le réseau cellulaire, créant ainsi une passerelle pour la communication de données à travers de vastes distances. Cette capacité revêt une importance cruciale dans des applications où le déploiement de petits appareils dotés d’une connectivité fiable est essentiel, telles que l’infrastructure des villes intelligentes, la surveillance de la santé et la télédétection.

Qu’est-ce qu’un plan de masse et pourquoi est-il important ?

Le plan de masse, une surface conductrice, joue le rôle d’une couche réfléchissante pour l’élément rayonnant d’une antenne. Il contribue à former le chemin de retour du courant de l’antenne, un aspect essentiel à la création du diagramme de rayonnement. Considéré comme l’autre moitié d’une antenne dipôle, le plan de masse est indispensable au fonctionnement équilibré de l’ensemble. Dans un système d’antenne, le plan de masse exerce une influence significative sur le diagramme de rayonnement, la largeur de bande, l’impédance et l’efficacité globale du système en sculptant et en orientant le signal. Souvent négligé lors de la conception de petits appareils, ce composant du système d’antenne peut entraîner des performances médiocres et des problèmes de communication. Un plan de masse bien conçu assure que le système d’antenne résonne aux fréquences désirées, favorisant ainsi une communication efficace.

Le rôle des plans de masse dans les antennes cellulaires

Le plan de masse revêt une importance particulière dans le contexte des antennes cellulaires pour deux raisons majeures :

Adaptation de l’impédance : Pour assurer un transfert optimal de puissance, il est crucial que l’impédance des antennes cellulaires soit ajustée à la ligne de transmission, généralement fixée à 50 ohms. Pour maintenir une impédance constante, la conception du plan de masse doit prendre en considération son impact potentiel sur la modification de l’impédance de l’antenne.

Contrôle du diagramme de rayonnement : Grâce à un plan de masse soigneusement conçu, il devient possible de créer un diagramme de rayonnement cohérent et dirigé, une caractéristique cruciale pour les antennes cellulaires chargées de maintenir une connexion avec une tour de réseau souvent située à plusieurs kilomètres de distance.

Comment optimiser les plans de masse dans les appareils IoT compacts

Les appareils IoT compacts présentent des défis de conception uniques en raison de leur espace limité pour l’installation d’antennes. Les plans de masse sont souvent dimensionnés à un quart de longueur d’onde du signal à la fréquence opérationnelle la plus basse, ce qui les rend généralement trop volumineux pour s’adapter à l’intérieur de ces petits dispositifs. Un plan de masse défectueux peut entraîner divers problèmes, notamment :

• Réduction de l’efficacité et du gain de l’antenne.
• Impédance inadaptée.
• Un diagramme de rayonnement déformé, entraînant une connectivité peu fiable.

La conception d’antennes cellulaires pour les appareils IoT compacts exige des approches innovantes afin de surmonter les limitations associées aux plans de masse. Explorons maintenant quelques stratégies pour surmonter ces défis :

• Intégration d’un circuit imprimé : Incorporer un circuit imprimé en tant que composant du plan de masse représente une technique répandue dans les appareils compacts. Il est essentiel d’agir avec précaution lors de la conception du circuit imprimé, en réservant amplement d’espace pour le plan de masse tout en tenant compte de la disposition des autres composants.

• Conceptions/types d’antennes innovants : Dans le domaine des petits appareils sans fil, on observe fréquemment l’utilisation d’antennes innovantes telles que l’antenne planaire en F inversé (PIFA) en raison de leur profil bas et de leur capacité à fonctionner avec des plans de masse plus compacts. Ces types d’antennes gagnent de plus en plus en popularité sur le marché de la téléphonie mobile. 

• Utilisation de matériaux à haute constante diélectrique : Il est possible de « rétrécir » la longueur d’onde du signal dans le milieu en utilisant des matériaux à constante diélectrique élevée, permettant ainsi d’utiliser un plan de masse plus petit sans compromettre les performances.

• Exploitation du châssis : Le châssis peut être utilisé comme un plan de masse efficace pour les gadgets munis d’un boîtier ou d’un cadre métallique. La technologie portable constitue un domaine où cette méthode peut se révéler particulièrement bénéfique, grâce à la présence d’un corps métallique sur le gadget, offrant une surface adéquate. 

• Intégration de bobines de charge : L’antenne peut être électriquement prolongée sans nécessiter une augmentation physique de sa taille, simplement en incorporant une bobine de charge dans sa conception. Cette approche améliore l’efficacité de l’antenne au sein d’un plan de masse plus réduit en lui permettant de résonner à des fréquences plus basses.

• Parasites résonants en champ proche (NFRP) : Dans cette approche, l’antenne est entourée d’éléments parasites qui résonnent et augmentent de manière effective la taille électrique du plan de masse, sans accroître réellement les dimensions du dispositif.

• Composants d’accord actifs : Les dispositifs d’accord actifs, tels que les varactors ou les commutateurs MEMS, peuvent être exploités pour ajuster la fréquence de résonance de l’antenne, compensant ainsi le plan de masse plus réduit de l’antenne.

Considérations relatives au choix d’une antenne pour un appareil IoT compact

Considérez attentivement les facteurs de conception du plan de masse suivants lors de la création ou du choix d’une antenne pour un petit appareil IoT :

• Taille et forme : Même dans les petits appareils, la conception du plan de masse doit viser à être aussi grande que possible, idéalement s’étendant dans toutes les directions à partir du point d’alimentation de l’antenne.

• Matériau : Optez pour un matériau conducteur de haute qualité, tel que le cuivre, pour le plan de masse de l’antenne.

• Positionnement : Afin de prévenir les effets de désaccord causés par la main de l’utilisateur ou des objets environnants, il est impératif de positionner l’antenne avec soin par rapport au plan de masse.

• Intégration : Pour minimiser les problèmes de performance liés au plan de masse, il est essentiel d’intégrer les antennes dès les premières étapes du processus de développement de la conception.

Produit recommandé

Antenne cellulaire Taoglas PCS.55.A

La PCS.55.A, une antenne cellulaire compacte en instance de brevet, est spécifiquement conçue pour les appareils IoT dotés de petits plans de masse. Associant des techniques révolutionnaires de conception d’antennes à l’expertise éprouvée de Taoglas en intégration d’antennes, la PCS.55.A offre une solution complète de couverture à large bande pour les bandes LTE 5G/4G et GNSS, incluant même les bandes les plus délicates à gérer, telles que celles situées dans la plage 600-700 MHz.

La PCS.55.A, mesurant seulement 27x10x1,6 mm, offre une solution simple et prête à l’emploi pour les applications LTE, CAT-M, NB-IoT, et GNSS. Cette antenne cellulaire compacte représente le choix idéal pour les petits appareils IoT, où les contraintes de conception des circuits imprimés dépendent de plus en plus de la taille de l’antenne. Avec une zone d’exclusion extrêmement réduite et moins de composants d’adaptation nécessaires par rapport à la plupart des autres antennes cellulaires compactes sur le marché, elle permet une conception plus petite et moins complexe, contribuant ainsi à réduire la nomenclature de l’appareil et accélérant le délai de mise sur le marché.

Caractéristiques

• Produit mondial – Trois circuits d’adaptation différents peuvent être exploités pour garantir des performances optimales, adaptées à la situation géographique spécifique du client. Des composants optimaux ont été identifiés pour l’Amérique du Nord (NA), l’Union européenne (UE) et le reste du monde (WW), facilitant ainsi l’intégration simple du PCS.55.A par les concepteurs pour garantir les meilleures performances adaptées à chaque scénario de déploiement spécifique. L’intégration du PCS.55.A est aisée grâce à l’utilisation des technologies CMS standard. De plus, les circuits d’adaptation pour chaque déploiement (NA, EMEA ou WW) ont été simplifiés à une configuration à 3 composants, offrant ainsi une plus grande flexibilité du côté de l’utilisateur. 

• Ensemble d’intégration simplifié : En limitant l’utilisation à seulement 3 composants d’adaptation par intégration (par opposition à 15 sur des antennes comparables), les clients peuvent bénéficier d’une utilisation de l’antenne avec une nomenclature plus compacte et moins de composants d’adaptation susceptibles de générer des pertes.

• Petite zone d’exclusion : Grâce à une zone d’exclusion extrêmement compacte, l’intégration de l’antenne sur des circuits imprimés étroits et de petite taille devient possible, même dans les espaces restreints.

Principales spécifications du produit :