Comment choisir la bonne antenne pour votre application IoT

Digi International
06 février 2018
Les antennes existent sous de nombreuses formes et tailles, pour de nombreux usages différents. Certaines sont fixées à l'extérieur du produit pour assurer une fonctionnalité correcte, tandis que d'autres doivent être conçues dans l'appareil final pour être à la fois invisibles et fonctionnelles. Par exemple, si vous avez un appareil enfermé dans un boîtier métallique, comme un routeur, votre antenne sera connectée à l'extérieur. En revanche, pour un appareil mobile ou un wearable, vous voudrez probablement une antenne plus petite, intégrée à la conception interne. Les types d'antennes pour ces différentes applications varient non seulement en fonction de la taille et de l'emplacement, mais aussi des propriétés et des fonctionnalités.

Dans ce billet, nous avons donné un aperçu des types d'antennes les plus répandus et de leurs applications communes IoT . Notez que la plupart des catégories d'antennes ont plusieurs sous-types. En outre, le sujet des antennes peut rapidement entrer dans les détails techniques et les formules mathématiques, ce qui dépasse le cadre de cet article. Si vous avez besoin d'une aide supplémentaire pour le choix de votre antenne, nos Services de conception sans fil peut vous aider.
 

Sujets dans ce blog

  1. Antennes dipôles
  2. Antennes monopolaires
  3. Antennes à boucle
  4. Antennes hélicoïdales
  5. Antennes patch
  6. Antennes à fente
Antenne dipôle

1) Antennes dipôles

Les antennes dipôles sont omnidirectionnelles, ce qui signifie qu'elles rayonnent des signaux dans toutes les directions sur au moins un plan. Elles sont généralement de grande taille puisqu'il s'agit de structures d'une demi-longueur d'onde. Cela représente une longueur d'environ 15 cm pour les antennes cellulaires. Ces antennes sont presque toujours utilisées à l'extérieur, par exemple pour les appareils à boîtier métallique comme les routeurs et les passerelles. Elles peuvent être livrées avec l'appareil ou doivent être commandées séparément.
 

Propriétés des antennes dipôles

Les antennes dipôles sont des antennes très efficaces avec des performances constantes, un diagramme de rayonnement omnidirectionnel et une polarisation fiable. Le diagramme de rayonnement d'une antenne dipôle ne dépend pas de la taille du boîtier ou du plan de masse. Cela est dû au fait que le dipôle a des courants équilibrés sur les deux bras de l'antenne, ce qui entraîne un faible flux de courant sur le plan de masse ou le châssis. Le diagramme de rayonnement ressemble à un beignet, la plupart de l'énergie étant émise par le côté large de l'antenne. L'antenne s'isole de la boîte métallique (châssis), qui fait office de plan de masse.
 

Applications courantes des antennes dipôles

Utilisez une antenne dipôle lorsque vous devez parler dans toutes les directions (omnidirectionnelle) et que vous ne connaissez pas l'emplacement de la liaison de réception. Les applications courantes des antennes dipôles comprennent les applications cellulaires et Wi-Fi ; il existe différents modèles de dipôles pour chacun de ces types de communication. (Le dipôle a une largeur de bande limitée, donc différentes longueurs sont nécessaires pour les différentes bandes de fréquences).

L'antenne dipôle fonctionnera bien pour une antenne externe montée sur un boîtier métallique, quelle que soit la taille du boîtier. Les boîtiers métalliques sont très courants pour les applications industrielles dans des environnements difficiles et les antennes externes sont une quasi-certitude dans ces contraintes. De plus, en raison de leur haute efficacité et de leur diagramme de rayonnement constant, les laboratoires utilisent souvent les dipôles comme antennes de référence pour étalonner les systèmes de mesure d'antennes.

(2) Antennes monopolaires

Les antennes monopolaires sont de petites antennes omnidirectionnelles d'un quart de longueur d'onde. Elles sont généralement installées à l'intérieur d'un dispositif, mais peuvent aussi être externes.
 

Propriétés des antennes monopolaires

Les antennes monopolaires sont comme les antennes dipôles, mais avec un seul bras d'antenne d'un quart de longueur d'onde. L'antenne monopolaire utilise un plan de masse comme l'autre moitié du dipôle, et peut donc être plus petite que le dipôle et plus facile à mettre en œuvre. Il est important de noter qu'avec une antenne unipolaire, le diagramme de rayonnement dépend de la longueur du câble et de la taille du boîtier métallique (antenne externe) ou du plan de masse.

Il existe des déviations du monopole, notamment l'antenne en F inversé (IFA) qui est généralement une trace gravée sur un circuit imprimé. L'IFA a été créée pour réduire la taille de l'antenne tout en maintenant une impédance de 50 O sur une petite bande passante. Une variante de l'IFA (également dérivée de l'antenne patch) est une PIFA, qui est une IFA planaire. La PIFA est généralement une structure 3D (non gravée sur un PCB) et possède des sections conductrices plus larges que l'IFA. Comme la PIFA utilise des conducteurs plus larges et occupe plus de volume que l'IFA, elle a généralement une efficacité et une largeur de bande supérieures.
 

Applications courantes des antennes monopolaires

Utilisez les antennes fouet monopolaires lorsque vous avez besoin d'une antenne externe bon marché, à bande étroite, et que vous ne pouvez pas utiliser une antenne dipôle en raison de sa taille. Une solution plus élégante est la PIFA, qui peut être beaucoup plus courte que le monopôle et plus robuste mécaniquement, mais au prix d'un diagramme de rayonnement omnidirectionnel déformé. Les téléphones cellulaires sont l'application la plus courante des PIFA aujourd'hui. Le PIFA est facile à fabriquer et offre une bonne efficacité et une bonne largeur de bande dans un petit format. Les vêtements portables utilisent souvent un IFA ou un PIFA. Les dispositifs sans fil intégrés utilisent souvent des IFA gravés sur le circuit imprimé en raison de leur très faible coût.

3) Antennes à boucle

Les petites antennes à boucle sont omnidirectionnelles, mais au fur et à mesure que la boucle s'agrandit (le diamètre approche une longueur d'onde), elle devient bidirectionnelle. Les antennes boucles seront toujours plus grandes que les antennes unipolaires ou dipolaires afin d'obtenir la même efficacité de rayonnement, elles ne sont donc pas aussi courantes pour les dispositifs intégrés sans fil.
 

Propriétés des antennes à boucle

Les antennes à boucle ont des champs magnétiques proches dominants, ce qui signifie qu'elles sont moins influencées par les conducteurs électriques, comme une plaque de métal ou même l'eau salée, qui ont plus d'influence sur les champs électriques que magnétiques. Cela les rend particulièrement utiles pour les wearables, puisque les humains ont des propriétés magnétiques très limitées. Notez que ces propriétés concernent les performances en champ proche ; dans un champ lointain, toutes les antennes font la même chose, mais dans un champ proche, le dispositif dépend davantage du type d'antenne.
 

Applications courantes des antennes à boucle

Les appareils à porter tels que les traqueurs d'exercice et les dispositifs implantables sont des applications courantes des antennes à boucle. Par exemple, une antenne implantée près du cœur verrait ses performances se dégrader beaucoup plus avec une antenne à champ proche électrique, telle qu'une antenne unipolaire ou dipôle, qu'avec une antenne à boucle à champ proche magnétique.

4) Antennes hélicoïdales

Les antennes hélicoïdales sont essentiellement de très petites antennes unipolaires enroulées en forme d'hélice. Imaginez que vous prenez un morceau de fil conducteur qui va tout droit vers le haut, et que vous l'enroulez autour d'une bobine pour réduire sa hauteur totale. La longueur totale est très similaire à celle d'une antenne unipolaire standard.
 

Propriétés des antennes hélicoïdales

Les antennes hélicoïdales ont un diagramme de rayonnement omnidirectionnel comme une antenne monopole. Le fait de l'enrouler en hélice permet de placer ces longues antennes dans des espaces réduits. Comme elles sont beaucoup plus petites qu'une antenne unipolaire, vous renoncez à un peu d'efficacité et de largeur de bande afin de réduire considérablement l'antenne.
 

Applications courantes des antennes hélicoïdales

Les antennes hélicoïdales sont très compactes, ce qui les rend utiles pour les équipements de communication portables. Elles sont couramment utilisées pour les équipements qui fonctionnent sur les bandes de fréquences inférieures, notamment les bandes HF, VHF et UHF. Par exemple, une antenne unipolaire de 433 MHz aurait une longueur d'environ 7 mètres ; comme de nombreux dispositifs sont beaucoup plus petits que cela, une antenne hélicoïdale est utilisée pour obtenir une bonne efficacité d'antenne et une impédance proche de 50 O dans un petit facteur de forme.

5) Antennes patch

Les antennes patch sont directionnelles, ce qui signifie que votre application doit avoir des communications en visibilité directe entre les dispositifs pour une meilleure performance : L'appareil A ne parlera qu'à l'appareil B et ils sont toujours orientés de manière à ce que l'antenne patch sur les appareils soit face à face. Puisque nous savons où les dispositifs se trouveront toujours, il n'est pas nécessaire d'avoir un rayonnement omnidirectionnel.
 

Propriétés des antennes patch

Les antennes patch sont des antennes très basses, légères et faciles à fabriquer. La résonance naturelle d'un patch est d'une demi-longueur d'onde (comme un dipôle), mais la taille du patch est souvent considérablement réduite grâce à l'utilisation de diélectriques. En raison de la petite taille du patch chargé par le diélectrique et du volume limité qu'il implique, le patch est à bande très étroite. Les antennes patch sont aussi parfois appelées "antennes microbandes" et peuvent être gravées directement sur un PCB.

Applications courantes des antennes patch

Les antennes patch sont très utiles lorsque vous disposez d'un chemin en visibilité directe (los) entre l'émetteur et le récepteur, et que la bande passante requise est minimale (faibles débits de données). Les communications GPS en sont un exemple, car elles font appel à des satellites, dont vous savez qu'ils sont toujours situés dans le ciel, et utilisent un débit de données très faible. Le patch est idéal pour le suivi des véhicules car il est discret et peu coûteux, et lorsque vous le positionnez sur le capot ou le toit d'un véhicule, toute l'énergie est concentrée là où vous en avez réellement besoin.

6) Antennes à fente

Les antennes à fente sont généralement constituées d'une plaque métallique ou d'un circuit imprimé dans lequel sont découpées des fentes. Les fentes rayonnent de la même manière que les antennes dipôles et sont d'une demi-longueur d'onde, mais ont la polarisation opposée du dipôle. Ce sont des antennes très efficaces et leur diagramme de rayonnement est bidirectionnel. Il est facile d'obtenir un diagramme de rayonnement unidirectionnel en enfermant une extrémité de la fente dans un boîtier métallique.
 

Propriétés des antennes à fente

La fente a une conception simple et un profil extrêmement bas qui la rendent très polyvalente. Les antennes à fente ont été créées à l'origine pour la télédiffusion. Le diagramme de rayonnement de l'antenne est déterminé par la taille des fentes, leur forme et la fréquence de commande.
 

Applications courantes des antennes à fente

Les antennes à fente sont très utiles pour les boîtiers métalliques où vous ne pouvez pas utiliser d'antenne externe. Parmi les applications courantes, citons les systèmes de navigation sur les navires et les avions où les antennes externes présentent un risque environnemental.
 

Conclusion

L'antenne dépend beaucoup de la taille de l'appareil et de la taille d'antenne tolérable, ce qui relève de la physique et des limites pratiques. Pour garantir de bonnes performances sans fil, choisissez votre type d'antenne et la taille globale du dispositif de manière appropriée pour l'application donnée.
 
Le saviez-vous ? L'équipe Wireless Design Services de Digi peut vous aider à concevoir votre antenne. Voir la page WDS Antenna Design.
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