Répondre aux besoins des réseaux IoT sans fil hérités et 5G à l'aide d'antennes large bande

Outre les smartphones grand public très visibles, les liaisons sans fil basées sur la 5G s'adressent à diverses applications embarquées telles que l'Internet des objets (IoT), les liaisons machine-à-machine (MTM), les réseaux électriques intelligents, les distributeurs automatiques, les passerelles, les routeurs, les systèmes de sécurité et la connectivité de télésurveillance. Toutefois, ce passage à la 5G ne se fera pas du jour au lendemain. Il est donc nécessaire de disposer d'antennes à l'avant de la liaison de communication sans fil, capables de prendre en charge la 5G, ainsi que les liaisons 2G, 3G et d'autres liaisons non-5G qui resteront en place pendant des années, même si la 5G se généralise.

Pour ces raisons, les ingénieurs doivent concevoir des produits pour des bandes autres que celles qui prennent en charge les normes 5G. Même si l'amplificateur de puissance ou le circuit d'entrée RF interne diffère pour chaque bande, une seule antenne large bande servant à la fois les bandes 5G et les bandes traditionnelles présente des avantages.

Cet article traite des antennes large bande qui servent à la fois le spectre 5G dans la bande inférieure et les bandes héritées, avec des exemples d'Abracon LLC. L'article montre comment l'utilisation de ce type d'antenne — qu'il s'agisse d'unités externes visibles ou d'unités internes intégrées — peut faciliter la conception, simplifier la nomenclature (BOM) et faciliter l'installation d'une mise à niveau vers la 5G si nécessaire.

Commencer avec les bandes réglementaires

Les antennes sont le dernier élément du trajet du signal d'émission RF et le premier dans le trajet de récepteur complémentaire. La fonction de l'antenne est d'être un transducteur entre le monde du circuit de courant et de tension et le monde RF d'énergie rayonnée et de champs électromagnétiques.

Lors de la sélection d'une antenne pour une application cible, il est important de garder à l'esprit que l'antenne est indépendante du type de modulation ou de la norme industrielle pour laquelle elle est utilisée. Aucun des paramètres utilisés pour la sélection de l'antenne — tels que la fréquence centrale, la bande passante, le gain, la puissance nominale ou la taille physique — ne dépend du fait que l'antenne soit utilisée pour des signaux de modulation d'amplitude, de fréquence ou de phase (AM, FM, PM), ou des formats de signaux 3G, 4G, 5G, voire propriétaires.

Bien sûr, les conceptions de systèmes pour les applications émergentes qui prennent en charge les normes 5G font l'objet d'une attention considérable, en particulier pour les bandes 5G inférieures à 6 gigahertz (GHz) où se situe la majeure partie de l'activité 5G. Il est important de faire la distinction entre la norme sans fil prise en charge par le système et la fréquence et le spectre utilisés qui déterminent le choix de l'antenne.

Les nouvelles normes 5G utilisent des segments de spectre auparavant indisponibles, tout en tirant parti des parties du spectre déjà utilisées en intégrant des schémas de modulation de plus haut niveau pour un débit plus élevé. Ainsi, alors que la prise en charge par l'industrie et les opérateurs pour une norme existante peut être supprimée progressivement, comme pour la 3G en 2022, certaines parties du spectre utilisées par la 3G seront encore utilisées pour la 4G et même pour la 5G (Figure 1).

Figure 1 : Les fréquences comprises entre 600 et 6000 MHz prennent en charge plusieurs normes telles que la 3G, la 4G et la 5G, avec un chevauchement partiel du spectre. (Source de l'image : Abracon LLC)

Cela signifie que les antennes prenant en charge les bandes 3G ou 4G peuvent également être viables pour la 5G, et vice versa. La norme peut disparaître, mais pas l'antenne, et la rétrocompatibilité/post-compatibilité des antennes est possible. Dans chacun de ces cas, la réutilisation d'antennes prenant en charge plusieurs normes et bandes est une solution pratique et souvent souhaitable.

D'autres normes importantes dans le spectre RF de 600 mégahertz (MHz) à 6 GHz incluent :

• CBRS (Citizens Broadband Radio Service), un segment peu réglementé de 150 MHz de large, dans la gamme de 3550 MHz à 3700 MHz (3,5 GHz à 3,7 GHz). Aux États-Unis, la FCC (Federal Communications Commission) a désigné ce service pour le partage entre trois niveaux d'utilisateurs : les utilisateurs historiques, les utilisateurs avec licence d'accès prioritaire (PAL) et les utilisateurs avec accès général autorisé (GAA).
• LTE-M, l'abréviation de LTE Cat-M1 (souvent appelé CAT M) ou Long-Term Evolution (4G), catégorie M1. Cette technologie permet aux dispositifs IoT alimentés par batterie et à faible facteur d'utilisation de se connecter directement à un réseau 4G sans passerelle.
• L'IoT à bande étroite (NB-IoT) est une technologie sans fil de grade cellulaire qui utilise le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) dans le cadre de la 3G. Il s'agit d'une initiative du projet 3GPP (Third Generation Partnership Project) — l'organisation à l'origine de la normalisation des systèmes cellulaires — visant à répondre aux besoins des dispositifs à très faible débit de données qui doivent se connecter aux réseaux mobiles et qui sont souvent alimentés par batteries.

Une remarque concernant la terminologie large bande et multibande, car il existe un risque de confusion et d'ambiguïté. Le terme « large bande » fait référence à une antenne dont la largeur de bande est une fraction importante de sa fréquence centrale. Bien qu'il n'y ait pas de définition officielle de cette valeur, de manière informelle, il s'agit généralement d'une largeur de bande qui représente au moins 20 à 30 % de la fréquence centrale. En revanche, le terme « multibande » désigne une antenne conçue pour prendre en charge deux bandes ou plus, conformément aux normes réglementaires ; ces bandes peuvent être étroitement espacées ou largement séparées.

Un exemple extrême d'antenne multibande serait une antenne qui fonctionne simultanément pour la diffusion AM (550 à 1550 kilohertz (kHz)) et la diffusion FM (88 à 108 MHz). Une antenne multibande peut être large bande mais ne l'est pas nécessairement.

Quels que soient le nombre, l'espacement et les largeurs de bandes qu'elle prend en charge, une antenne multibande a une seule connexion RF, même si elle peut être constituée en interne de deux ou plusieurs antennes combinées différentes. Contrairement à une antenne large bande plus simple, une antenne multibande peut en fait être conçue avec des lacunes délibérées dans la couverture du gain sur sa bande passante afin de minimiser les interférences entre canaux.

Antenne interne ou externe

La norme de connectivité sans fil pour laquelle l'antenne est utilisée n'est pas une question de conception d'antenne, mais la fréquence et la largeur de bande sont clairement des considérations qui font de l'implémentation physique de l'antenne une décision importante. L'une des principales considérations en matière de conception est l'utilisation d'une antenne externe ou d'une antenne intégrée au produit final.

Les antennes internes présentent les attributs suivants :

• Elles permettent un boîtier plus lisse, sans pièces externes susceptibles de se casser ou de s'accrocher
• L'antenne intégrée est toujours connectée et disponible
• Elles présentent des limites inhérentes en termes de couverture, de rendement, de diagrammes de rayonnement et d'autres critères de performances
• Les performances de l'antenne intégrée sont affectées par les circuits adjacents, donc son placement est étroitement lié à la taille du circuit imprimé, à sa disposition, aux composants et à la configuration globale
• La main ou le corps de l'utilisateur peut induire des changements dans le diagramme, le rendement et les performances de l'antenne

Par contraste, les antennes externes présentent les caractéristiques suivantes :

• Elles offrent plus de possibilités de personnalisation des diagrammes de rayonnement, de la bande passante et du gain, car elles permettent plus de degrés de liberté de conception
• Elles n'ont pas besoin d'être fixées à l'unité IoT/RF et peuvent être placées de manière optimale à une distance modeste à l'aide d'un câble coaxial
• Elles sont moins affectées, voire pas du tout affectées par les aspects électriques de la conception et du conditionnement des produits
• Elles sont disponibles en plusieurs styles et configurations
• Elles requièrent un connecteur ou un câble pour être fixées, ce qui peut constituer un point de défaillance

Le choix entre une antenne externe et une antenne interne dépend généralement de plusieurs facteurs. Ces facteurs incluent l'application du produit final et les préférences de l'utilisateur, par rapport aux performances et selon que l'antenne sera utilisée dans une situation mobile ou fixe. Par exemple, un smartphone avec une antenne externe peut être considéré comme peu pratique. En revanche, un nœud IoT fixé en place avec une antenne externe et peut-être légèrement éloignée pourrait fournir une meilleure connectivité, plus cohérente.

Avantages des antennes multibandes

Les antennes multibandes peuvent répondre aux applications existantes tout en offrant des conceptions à l'épreuve du temps pour les mises à jour, y compris la connectivité 5G. Mais pourquoi envisager une telle antenne si les paramètres et les spécificités d'installation sont connus ? Plusieurs raisons expliquent ce choix :

• Une seule antenne peut être utilisée pour une famille de produits ciblant différentes bandes, simplifiant ainsi les achats et la gestion des stocks
• Une antenne interne multibande permet un boîtier plus petit, tandis qu'une antenne externe réduit le nombre de connecteurs d'antenne sur le boîtier du produit
• L'antenne multibande peut servir un dispositif IoT pour lequel une mise à niveau vers une nouvelle bande telle que la 5G est possible ou anticipée, que ce soit pour des raisons de performances ou d'obsolescence de la bande et de la norme existantes
• Une seule antenne externe pour plusieurs bandes permet d'uniformiser les techniques et les outils d'installation
• Pour les applications critiques fixes et surtout mobiles, la section RF du dispositif peut fournir une prise en charge double bande, permettant au dispositif de passer dynamiquement d'une bande à l'autre pour des performances optimales dans un lieu ou un environnement donné
• Les concepteurs peuvent utiliser une seule antenne multibande interne dans des dispositifs non liés, mais ils gagnent à mettre à profit leur expérience en matière de modélisation d'antenne, de placement et de problèmes de production éventuels

Exemples d'antennes multibandes dans la pratique

Malgré leurs performances large bande, les antennes multibandes ne sont pas limitées en termes de facteur de forme ou de type de terminaison, comme le montrent trois exemples.

L'AEBC1101X-S est une antenne fouet cellulaire 5G/4G/LTE qui mesure 115 millimètres (mm) de longueur avec un diamètre maximum de 19 mm, conçue pour un fonctionnement de 600 MHz à 6 GHz (Figure 2). Elle est fournie avec un connecteur SMA mâle standard qui peut pivoter de 90° pour un montage direct sur le boîtier du produit (elle peut également être utilisée avec un câble coaxial extensible) ; un connecteur SMA à polarité inverse est également disponible.

Figure 2 : L'antenne fouet cellulaire 5G/4G/LTE AEBC1101X-S est conçue pour fonctionner de 600 MHz à 6 GHz, et elle est dotée d'un connecteur coaxial SMA intégré à rotation de 90°. (Source de l'image : Abracon LLC)

Son rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) et ses performances de gain de crête sont assez constants sur toute la bande, bien qu'il y ait un décalage de rendement entre les gammes de fréquences inférieures et supérieures (Figure 3).

Figure 3 : L'antenne fouet cellulaire 5G/4G/LTE AEBC1101X-S présente des changements modestes de performances entre ses gammes basse (600 à 960 MHz) et haute (1400 à 6000 MHz). (Source de l'image : Abracon LLC)

Le diagramme de rayonnement est assez circulaire sur toute la bande, avec quelques petits lobes émergeant à 3600 MHz et devenant un peu plus apparents à 5600 MHz (Figure 4).

Figure 4 : Le diagramme de rayonnement X-Y de l'AEBC1101X-S change entre 3600 et 5600 MHz, avec l'apparition de quelques lobes. (Source de l'image : Abracon LLC)

L'antenne lame 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT AECB1102XS-3000S, également destinée à un fonctionnement de 600 MHz à 6 GHz, mesure 115,6 mm de long × 21,7 mm de large avec un profil très fin de seulement 5,8 mm (Figure 5). Elle est conçue pour une installation simple et pratique sur une surface plane à l'aide de ruban adhésif.

Figure 5 : L'antenne lame 5G/4G/LTE/NB-IoT/CAT AECB1102XS-3000S, également pour les fréquences de 600 MHz à 6 GHz, est une antenne extra-plate conçue pour le montage aisé sur une surface plane à l'aide d'un simple ruban adhésif. (Source de l'image : Abracon LLC)

Ses performances RF sont similaires à celles de l'AEBC1101X-S avec un ROS maximum inférieur à 3,5, mais le gain de crête est un peu plus faible à 2 décibels par rapport à une antenne isotrope (dBi). Le diagramme de rayonnement dans les plans X-Z et Y-Z est également plus complexe (Figure 6).

Figure 6 : Les diagrammes de rayonnement X-Z et Y-Z de l'antenne lame AECB1102XS-3000S présentent un ensemble de lobes plus complexe que celui de l'antenne fouet. (Source de l'image : Abracon LLC)

Une différence notable entre l'AEBC1101X-S et l'AECB1102XS-3000S réside dans les terminaisons disponibles. L'unité lame AECB1102XS-3000S est fournie en standard avec un câble coaxial LMR-100 de 1 mètre (m) (remplaçant les types de câbles RG174 et RG316), terminé par le connecteur SMA mâle largement utilisé. Toutefois, il est possible de commander presque n'importe quelle longueur de câble, et des types de connecteurs autres que SMA sont également proposés en option standard pour une plus grande flexibilité de connexion (Figure 7).

Figure 7 : Le câble coaxial standard pour l'AECB1102XS-3000S est terminé par un connecteur SMA (M), mais de nombreux autres choix de connecteurs sont proposés. (Source de l'image : Abracon LLC)

L'antenne monopuce céramique large bande 600 à 6000 MHz ACR4006X est un dispositif à montage en surface mesurant seulement 40 mm × 6 mm × 5 mm de hauteur. En fonctionnement, elle requiert un réseau d'adaptation d'impédance inductance-condensateur (LC) miniature, composé d'une inductance de 8,2 nanohenrys (nH) et d'un condensateur de 3,9 picofarads (pF) (chacun de format 0402) pour atteindre l'impédance de 50 ohms (Ω) souhaitée (Figure 8).

Figure 8 : L'antenne monopuce céramique large bande 600 à 6000 MHz ACR4006X présente une empreinte de seulement 40 mm × 6 mm, et ne requiert que deux composants passifs miniatures pour l'adaptation d'impédance 50 Ω. (Source de l'image : Abracon LLC)

La fiche technique de l'ACR4006X indique qu'il s'agit d'un dispositif de 600 à 6000 MHz, mais notez que ses graphiques de rendement, de gain de crête et de gain moyen présentent quelques interruptions (Figure 9). Cela est intentionnel, car cette antenne multibande est conçue et optimisée pour des performances dans trois bandes spécifiques de cette gamme : 600 à 960 MHz, 1710 à 2690 MHz et 3300 à 6000 MHz pour prendre en charge les attributions 3G, 4G et 5G, ainsi que certaines attributions de fréquences plus petites.

Figure 9 : Les tracés de rendement et de gain de l'ACR4006X de 600 à 6000 MHz présentent des interruptions, mais celles-ci ont peu d'importance pour les utilisateurs car elles ne se situent pas dans les bandes de fonctionnement 3G, 4G et 5G. (Source de l'image : Abracon LLC)

L'ACR4006X n'étant pas destiné aux récepteurs GPS, ses performances ne sont pas spécifiées aux fréquences porteuses GPS de 1575,42 MHz (porteuse L1) et 1227,6 MHz (porteuse L2).

Le diagramme de rayonnement X-Y de l'ACR4006X est également fonction de la fréquence, mais il conserve une forme à peu près circulaire sur sa large bande, avec seulement quelques petites baisses de gain à 90° et 270° dans sa gamme de fréquences inférieure (Figure 10).

Figure 10 : Le diagramme de rayonnement X-Y de l'antenne monopuce ACR4006X est à peu près circulaire mais avec quelques baisses de gain dépendant de la fréquence à 90° et 270°. (Source de l'image : Abracon LLC)

L'évaluation des performances d'une antenne commence par la fiche technique, suivie souvent d'une confirmation à l'aide d'une chambre anéchoïque, puis de tests sur le terrain avec le produit final. Les facteurs qui affectent les performances réelles de l'antenne externe sont le boîtier, le corps et les mains de l'utilisateur pour les unités mobiles, et l'emplacement et le placement de l'antenne. Les performances sont largement dissociées de la disposition des circuits internes du produit.

En revanche, les performances d'une unité interne, telle que l'antenne monopuce ACR4006X, sont affectées par les composants adjacents et par le circuit imprimé. Pour cette raison, Abracon propose la carte d'évaluation ACR4006X-EVB afin de faciliter l'évaluation technique de cette antenne monopuce.

La carte est utilisée en conjonction avec un analyseur de réseau vectoriel (VNA). Après l'étalonnage initial de la configuration — une étape standard dans la plupart des tests VNA — les performances de l'antenne sont évaluées via le port étalonné du VNA en utilisant le connecteur SMA sur la carte.

La carte d'évaluation mesure 120 mm × 45 mm, et elle est précisément dimensionnée pour un placement correct de l'antenne monopuce. Elle inclut la zone de dégagement métal/sol de 45 mm × 13 mm requise autour de l'antenne pour un fonctionnement correct (Figure 11).

Figure 11 : La carte d'évaluation ACR4006X-EVB ne mesure que 120 mm × 45 mm et facilite l'évaluation de l'antenne monopuce via son connecteur SMA. La fiche technique indique les dimensions et les zones de disposition critiques. (Source de l'image : Abracon LLC)

Conclusion

Les antennes multibandes répondent aux défis des dispositifs IoT, notamment ceux qui doivent prendre en charge une seule bande maintenant, tout en offrant une voie de mise à niveau plus fluide vers des normes plus récentes telles que la 5G. Elles permettent également à un système de prendre en charge plusieurs bandes pour optimiser les performances dans les zones où la connectivité n'est pas assurée sur une seule bande. Comme illustré, les antennes internes montées sur circuit d'Abracon permettent un boîtier plus lisse, tandis que leurs antennes externes utilisant soit un connecteur RF intégré, soit un câble coaxial, offrent une flexibilité de placement pour un trajet de signal optimal.