Les antennes monopuces ultralarge bande bousculent les traditions pour répondre à diverses applications

La fonction d'une antenne est simple : elle agit en tant que transducteur bidirectionnel entre le monde RF régi par les équations de Maxwell et le monde des circuits électriques où règnent les volts et les ampères. Pourtant, il est étonnant de voir les innombrables types et tailles d'antennes utilisés. Il existe notamment l'antenne Yagi, l'antenne papillon, l'antenne cadre, l'antenne-cornet, le dipôle, ou encore les antennes paraboliques, planaires, unipolaires, hélicoïdales et courtes, pour n'en citer que quelques-unes.

En effet, les antennes et leurs configurations doivent toujours relever un défi complexe, à savoir répondre à de nombreux objectifs souvent conflictuels. Parmi les paramètres importants figurent la fréquence centrale, la bande passante 3 décibels (dB), les diagrammes de rayonnement, la directivité, le rapport des rayonnements avant et arrière, les lobes latéraux, la taille physique, l'impédance et la tenue en puissance, en plus de la taille typique, du rendement et des problèmes liés au coût.

Idéalement, une seule antenne devrait pouvoir cocher toutes les cases, en particulier lorsque le coût et l'espace constituent des critères primordiaux. Même si nous n'en sommes pas encore là, les antennes ultralarge bande conviennent à de nombreuses applications différentes qui nécessitent une connectivité rapide, fiable et basse consommation.

Évaluer les antennes

Traditionnellement, l'un des objectifs clés dans de nombreux systèmes était de maintenir la bande passante de l'antenne (mesurée entre ses points -3 dB) à un minimum afin de ne pas capter de signaux superflus ni créer d'interférences indésirables. Après tout, pourquoi prendre en charge des performances hors bande et du bruit supplémentaire en réception, surtout si cela compromet d'autres facteurs ?

La bande passante fractionnaire (FBW) est un indicateur courant lié au paramètre de bande passante. Il s'agit de la plage de fréquences (la fréquence la plus élevée moins la fréquence la plus basse) divisée par la fréquence centrale. La bande passante fractionnaire peut varier de zéro à deux et est souvent indiquée sous forme de pourcentage entre 0 % et 200 %. Plus ce pourcentage est élevé, plus la bande passante est large.

Il serait bien d'avoir une ligne directrice simple indiquant la FBW approximative des différents types d'antennes, mais ce n'est pas possible. Cela découle du fait que les antennes, peut-être plus encore que la plupart des composants, impliquent de nombreux compromis quant à leur conception et à leurs dimensions physiques. Elles présentent un nombre incroyable de degrés de liberté, et leurs paramètres (notamment la FBW) peuvent ainsi être équilibrés afin de trouver la conception « optimale » pour une application donnée.

La FBW de presque toutes les antennes peut être augmentée ou réduite en faisant des compromis sur les autres paramètres, comme la directivité (gain), les lobes latéraux, le diagramme de rayonnement, la taille physique et le nombre d'éléments pour les conceptions à plusieurs éléments. Par exemple, la FBW des antennes Yagi-Uda classiques peut être ajustée pour passer de quelques % à plusieurs dizaines de % en modifiant le nombre d'éléments et leur espacement, leur épaisseur et d'autres attributs physiques.

Certains spécialistes considèrent une antenne ayant une FBW de 20 % ou plus comme une antenne ultralarge bande, tandis que d'autres estiment que seules les antennes ayant une FBW supérieure à 50 % sont des antennes ultralarge bande. La FCC (Federal Communications Commission) et l'ITU-R (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector) définissent actuellement l'ultralarge bande comme une transmission par antenne pour laquelle la bande passante du signal émis dépasse la plus faible valeur entre 500 mégahertz (MHz) ou 20 % de la fréquence centrale arithmétique. En raison de la confusion possible, il est souvent préférable de demander des précisions lorsque vous abordez ce sujet.

Ultralarge bande : les besoins ont changé et ce qui était valable ne l'est plus

Grâce à l'arrivée des applications large bande et multibande, la directive qui consistait à limiter au maximum la FBW s'est transformée, et il est désormais souhaitable, voire obligatoire, d'avoir une antenne ultralarge bande avec une FBW élevée. En fait, de nombreux articles universitaires récents décrivent des configurations d'antennes nouvelles ou innovantes avec des caractéristiques ultralarge bande.

Avant de continuer, abordons la terminologie liée à l'ultralarge bande. Le terme « ultralarge bande » a deux sens assez différents. Dans le contexte des antennes, il est lié à la FBW, abordée plus tôt. Cependant, lorsqu'il est question du spectre électromagnétique, le terme « ultralarge bande » est également utilisé pour décrire les fréquences plus élevées où davantage de bande passante est disponible.

Par exemple, les applications qui utilisent une partie de la bande des ondes millimétriques (EHF) de 30 à 300 gigahertz (GHz) sont souvent décrites comme des applications ultralarge bande, car elles peuvent utiliser une « tranche » ultralarge de plusieurs centaines de mégahertz pour prendre en charge des débits extrêmement élevés. Toutefois, une application ultralarge bande de ce type qui utilise 1 GHz à 60 GHz n'a pas besoin d'antenne ultralarge bande. Il lui faut une antenne centrée à 60 GHz avec une FBW de seulement 1,7 % environ.

Les antennes ultralarge bande comme les modèles ACG0806U, ACG0301U et ACG0502U d'Abracon fonctionnent dans cette vaste plage de fréquences. Elles peuvent être utilisées pour remplacer plusieurs antennes à bande étroite tout en offrant un degré élevé de flexibilité de conception et une connectivité fiable (Tableau 1).

Tableau 1 : Les antennes ultralarge bande ACG0806U, ACG0301U et ACG0502U offrent différentes combinaisons de gamme de fréquences et de bande passante fractionnaire. (Source de l'image : Bill Schweber, d'après des données d'Abracon)

La portée potentielle des signaux ultralarge bande et des antennes associées les rend parfaitement adaptés aux applications comme les passerelles et les routeurs, le streaming haut débit, les points d'accès sans fil, les dispositifs portables, le suivi et la localisation, le contrôle de dispositifs de maison intelligente, ainsi que les systèmes de divertissement. Ces antennes sont également utiles pour les applications liées à l'Internet des objets (IoT), aux communications machine-à-machine (M2M), à l'accès sécurisé aux véhicules, au suivi des articles, à la navigation en intérieur, au paiement sans contact, à l'accès intelligent et à la détection des objets.

Par ailleurs, les antennes ultralarge bande d'Abracon sont conçues pour la nouvelle génération de connectivité. Elles couvrent le spectre entier de 698 MHz à 7 GHz et offrent de nombreux avantages :

• Hautes performances
• Haut rendement rayonné
• Basse consommation (en raison des exigences basse consommation des systèmes ultralarge bande)
• Prise en charge des besoins de l'industrie quant à la transmission rapide/stable de données
• Dispositifs sur puce complets et discrets pour simplifier l'intégration de l'antenne et la configuration de la carte/du système

Mettre en avant les spécificités

L'examen plus détaillé d'une antenne ultralarge bande d'Abracon permet de constater à la fois ses attributs et la manière dont elle simplifie l'effort de conception technique. L'ACG0806U est une antenne ultralarge bande à montage en surface (CMS) pour un fonctionnement de 3,3 GHz à 7,2 GHz (bande passante de 4000 MHz) dans un boîtier céramique miniature de 8,0 millimètres (mm) × 6,0 mm × 1,2 mm (Figure 1).

Figure 1 : L'ACG0806U d'Abracon est une antenne ultralarge bande pour un fonctionnement de 3,3 GHz à 7,2 GHz dans un boîtier céramique CMS miniature de 8,0 mm × 6,0 mm × 1,2 mm. (Source de l'image : Abracon)

D'un point de vue électrique, l'ACG0806U offre une polarisation linéaire et une largeur de faisceau à azimut omnidirectionnel, avec une impédance nominale de 50 ohms (Ω) et un rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) inférieur à 3,5. D'autres détails de ses performances incluent des graphiques de l'impédance en fonction des pertes par réflexion et le rayonnement en fonction du rendement total (Figure 2 et Figure 3).

Figure 2 : Le graphique des pertes par réflexion (en dB) de l'ACG0806U présente en détail un aspect de ses performances dans sa bande de fonctionnement spécifiée. (Source de l'image : Abracon)

Figure 3 : Rendement de l'antenne ACG0806U dans sa gamme de fréquences de fonctionnement. (Source de l'image : Abracon)

Un autre point est tout aussi important pour les concepteurs : comment et où placer l'antenne monopuce et communiquer avec elle. Pour l'ACG0806U, une carte d'évaluation montre les dimensions critiques et les circuits d'adaptation associés (Figure 4).

Figure 4 : Dimensions appropriées pour le placement de l'antenne ACG0806U. (Source de l'image : Abracon)

Conclusion

Les antennes ultralarge bande sont nécessaires pour prendre en charge les diverses applications large bande et multibande qui sont désormais de plus en plus répandues. Abracon propose une sélection d'antennes monopuces ultralarge bande à montage en surface avec différentes fréquences centrales et bandes passantes. Grâce à elles, les concepteurs peuvent rapidement choisir et placer une antenne ultralarge bande sur leur carte à circuit imprimé, et ainsi passer aux étapes suivantes de leur projet.

Lectures recommandées

1. Au-delà des fils : les antennes évoluent et s'adaptent pour répondre aux exigences sans fil contraignantes

https://www.digikey.fr/fr/blog/beyond-wires-antennas-evolve-and-adapt

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

https://www.digikey.fr/fr/articles/how-to-cater-to-both-legacy-and-5g-wireless-iot-networks-using-wideband-antennas

Références

1. International Journal of Antennas and Propagation, "Wideband and UWB Antennas for Wireless Applications: A Comprehensive Review"

https://www.hindawi.com/journals/ijap/2017/2390808/

2. IntechOpen,"Ultra-Wideband Antenna and Design"

https://www.hindawi.com/journals/ijap/2017/2390808/

3. National Institute of Health, National Library of Medicine, "Ultrawideband Antennas: Growth and Evolution"

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8781011/