Le défi de l'intégration d'une antenne dans de petits appareils IoT

L'Internet des objets (IoT) est une tendance technologique qui change de paradigme dans laquelle les objets du quotidien, des réfrigérateurs aux montres, sont transformés en appareils intelligents dotés d'une connectivité Internet. Ces objets peuvent partager des données entre eux, permettant d’automatiser et d’améliorer de nombreux aspects de la vie quotidienne.

Les antennes jouent un rôle central dans ces appareils. Une antenne est un appareil qui convertit le rayonnement électromagnétique en courant électrique, ou vice versa. Cette fonction est cruciale pour permettre aux appareils IoT de communiquer et d'échanger des données entre eux sans fil, facilitant ainsi l'interconnectivité qui définit l'Internet des objets.

Toutefois, compte tenu des nombreuses contraintes et considérations en jeu, l’intégration d’antennes dans ces petits appareils IoT (Figure 1) constitue un défi de taille.

Dans le monde de l'IoT, le petit est le nouveau grand : les consommateurs souhaitent des appareils compacts et discrets, et les fabricants s'efforcent de s'y conformer. Ces restrictions de taille constituent un obstacle important à l’intégration des antennes.

Les antennes fonctionnent sur la base d'une résonance à une fréquence spécifique et leur taille est généralement proportionnelle à la longueur d'onde de la fréquence sur laquelle elles sont conçues pour fonctionner. Par exemple, une antenne dipôle fonctionnant sur une bande de fréquences de 2,4 GHz devrait idéalement mesurer environ 6,25 cm de long, une taille qui n'est souvent pas réalisable pour les appareils IoT compacts.

L'espace au sein d'un petit appareil IoT est encombré, ce qui présente une tâche complexe pour l'intégration d'antennes. L'antenne doit fonctionner à proximité immédiate d'autres composants tels que les processeurs, les batteries et les capteurs. Ces composants peuvent interférer avec le fonctionnement de l'antenne, affectant ses performances et, finalement, la fonctionnalité de l'appareil.

Par exemple, le boîtier métallique d'une batterie, souvent le plus gros composant d'un appareil IoT compact, peut perturber le fonctionnement d'une antenne de deux manières : il peut soit désaccorder l'antenne, modifiant ainsi sa fréquence de fonctionnement, soit, en raison de sa taille, il peut protéger l'antenne. antenne, réduisant le diagramme de rayonnement effectif et affaiblissant la connectivité de l'appareil.

De même, les processeurs, notamment ceux fonctionnant à hautes fréquences, génèrent un bruit électromagnétique important. Lorsqu’une antenne se trouve à proximité, elle peut capter ce bruit, ce qui interfère avec la réception et la transmission des signaux.

La tendance à des appareils IoT plus petits et plus compacts est excellente pour la portabilité et le style, mais présente des inconvénients en ce qui concerne les performances des antennes. À mesure que ces appareils deviennent plus petits, les antennes qu’ils contiennent doivent également rétrécir. Cette réduction de taille peut avoir un impact négatif sur de nombreuses caractéristiques importantes du fonctionnement d’une antenne.

Certains des effets néfastes de la miniaturisation sur les performances de l'antenne comprennent :

Il existe plusieurs solutions potentielles à ces défis :

Les SoC intègrent une unité de microcontrôleur (MCU) et un frontal RF dans une seule puce en silicium. En fusionnant ces deux fonctions, les SoC exploitent parfaitement l’espace limité à l’intérieur d’un appareil IoT. Cet avantage en termes d'efficacité spatiale est l'une des principales raisons pour lesquelles les appareils IoT sont de plus en plus conçus autour de microcontrôleurs sans fil.

Malgré ces avantages, les SoC ne peuvent pas résoudre tous les problèmes : la taille physique de l'antenne est toujours limitée par la longueur d'onde de la fréquence sur laquelle elle fonctionne, et le désaccord (un changement de fréquence de fonctionnement de l'antenne provoqué par des composants proches) reste un problème important. .

Une autre solution potentielle consiste à associer les SoC à des antennes trace PCB ou à des antennes puce.

Une antenne trace PCB est une antenne dont le conducteur est gravé sur la surface du PCB (Figure 2). Ils sont rentables mais prennent beaucoup de place et créent ainsi des appareils IoT encombrants. D’un autre côté, les antennes à puce sont des composants plus petits montés en surface qui peuvent économiser de l’espace. Cependant, selon qu'ils sont connectés ou non au plan de masse, ils peuvent nécessiter une zone de dégagement importante.

Lors de l'utilisation de ces types d'antennes, les concepteurs doivent prendre en compte divers facteurs pour estimer la taille du dispositif IoT. Ceux-ci incluent les dimensions du PCB nécessaires pour l'antenne, les zones de dégagement nécessaires et la distance entre l'antenne et le bord du boîtier de l'appareil.