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Comment choisir son antenne pour son projet IoT ?

Choisir un antenne pour son projet IoT n'est jamais évident. Pourtant, c'est elle qui va rendre votre produit ...


Choisir un antenne pour son projet IoT n'est jamais évident. Pourtant, c'est elle qui va rendre votre produit communicant. Alors comment s'en sortir parmi les milliers de références qui existent ?

Plus encore, comment choisir entre les différents types d'antennes ? Quels sont les critères de choix ? En enfin, comment être sûr que son antenne aura de bonnes performances ? Qu'on a fait le meilleur choix qui soit sur le marché ?

Dans cet article où on vous a condensé quelques conseils, on vous explique tout ! Un petit guide pour que vous puissiez être maître de vos choix. Et on vous a même réalisé un comparatif réel de performances entre 2 antennes. Comme si vous y étiez. Installez-vous, c'est parti !

 

Le principe de base d'une antenne

En radiofréquence, une antenne est un dispositif qui permet de convertir un signal électrique en une onde électromagnétique, et inversement. De manière plus pratique, il s’agit de passer d’un signal guidé (par une piste électronique, un fil, etc) à un signal non guidé (qui se propage plus librement dans l’espace).

Les antennes sont utilisées à chaque fois qu’un produit embarque de la radio : smartphones, satellites, télécommandes de portail, etc. Elles sont essentielles pour un objet connecté : sans elles, pas de radio. Elles influent directement sur les performances radio de l’objet connecté (portée, débit dans une certaine mesure).

En résumé : pas d’antenne, pas de radio. Pas de radio, pas d’objet connecté. Pas d’objet connecté … Pas d’objet connecté.

 

Les différents types d'antennes

Céramique, PCB, quart d’onde ou demi-onde, hélicoïdale … Il existe un grand nombre de types d’antennes, répondant à des besoins différents. Les principales technologies utilisées dans l’IoT sont les suivantes :

 

Céramique : Se présente sous la forme d’un composant monté en surface, soudé en même temps que les autres composants de la carte. Dans la mesure où les recommandations constructeur sont respectées, les performances sont assurées. Elle est facile à mettre en place, et son coût est raisonnable. En voici un exemple :

antenne IoT

 

PCB : Il s’agit d’une piste intégrée directement sur le PCB, qui rayonne grâce à sa forme particulière. Son gros avantage est le coût. Il n’y a pas de composant à acheter, ni d’étape supplémentaire pour la fabrication ou l’assemblage. Cependant, le développement de l’antenne est plus complexe, et spécifique à chaque produit.

 

Antenne filaire : Elle est intégrée dans un boîtier plastique, et connectée au PCB via un connecteur radio, le plus souvent de type SMA ou uFL. On la définit par sa dimension par rapport à la fréquence de fonctionnement : demi-onde ou quart d’onde. La seconde est plus compacte, mais nécessite un plan de masse et a des performances un peu moins élevées.

Elle peut être rectiligne ou hélicoïdale, en fonction des contraintes d’encombrement et de directivité.


Antenne “patch” : C’est une antenne intégrée sur un PCB, déportée au travers d’un câble radio. Le PCB peut être souple, et l’antenne est souvent adhésive. Elle est souvent plus compacte qu’une antenne filaire.

Il existe bien d’autres types d’antennes, mais leur usage est plus rare dans l’IoT.


Comment les choisir ?

La fréquence de fonctionnement, l'encombrement et la directivité sont 3 éléments qui vont orienter votre choix vers VOTRE antenne. Vous trouverez dans un premier temps (et avant de procéder à tout type de test) toutes les informations techniques relatives à l'antenne dans les documentations de vos fournisseurs.

 

La fréquence de fonctionnement

Le principal critère est bien-sûr la fréquence de fonctionnement. Il existe des antennes monobandes et multibandes, les secondes étant utilisées par exemple pour les réseaux cellulaires. Elles sont souvent définies par leur application. On retrouve fréquemment :

  • ISM : Wifi, BLE, LPWA, etc. Il s’agit de bandes libres. Les bandes les plus utilisées sont 433 MHz, 868/915 MHz, 2.4 GHz.
  • GNSS : Positionnement par satellite, autour de 1575 MHz et 1230 MHz
  • Cellulaire : 700-900MHz, 1800MHz, 2600MHz, etc.

Une antenne multibande offre en général des performances un peu moins bonnes qu’une antenne monobande. Par expérience, on considère qu’une antenne monobande est bonne lorsque son S11 est inférieur à -10 dB, et pour une antenne multibande lorsqu'il est inférieur à -6 dB.

 

Précision : le S11 est un rapport qui aide à déterminer la réflexion d’un système, c’est-à-dire, la puissance renvoyée. On fournit à l’antenne une puissance électrique (par exemple en la branchant à un appareil), et on mesure la puissance réfléchie par l’antenne. Le S11 est le rapport de la puissance réfléchie sur la puissance envoyée, mesurée sur une échelle logarithmique. Une bonne antenne va renvoyer peu de puissance, car elle va convertir cette puissance électrique en puissance électromagnétique. Plus le S11 est “négatif”, meilleure est l’antenne sur ce paramètre.

 

L'encombrement

L’encombrement de l’antenne dépend principalement de sa fréquence de fonctionnement. En effet, l’antenne classique est un dipôle dont la longueur correspond à la demi-longueur d’onde. On trouve également des antennes “quart d’onde”, plus compactes, mais nécessitant un plan de masse pour fonctionner.

antenne IoT

L’antenne doit être adaptée au milieu dans lequel elle évolue. Certaines antennes nécessitent une surface spécifique pour fonctionner correctement : fixation sur une paroi métallique ou en verre, collé sur du plastique, etc. Il faut parfois fournir à l’antenne un plan de masse pour fonctionner, comme c’est notamment le cas pour les antennes quart d’onde.

Si vous voulez revoir un panorama des différents réseaux de communication pour votre projet IoT, vous pouvez consulter cet article.

 

La directivité

La directivité d’une antenne définit la répartition du rayonnement autour de l’antenne. Certaines antennes sont omnidirectionnelles, c’est-à-dire que la puissance du signal est sensiblement la même dans toutes les directions. C’est par exemple le cas des antennes quart d’onde ou demi-onde.

Mais il est parfois plus judicieux d’opter pour une antenne directive, c’est-à-dire où le signal est principalement dirigé dans une direction.

Notons que la directivité d’une antenne est la même en émission et en réception. Une antenne directive recevra mieux un signal provenant d’une certaine direction. On l’utilise notamment pour la réception de la TNT (Antenne Yagi), où l’émetteur et le récepteur sont fixes. Les antennes GNSS ont également souvent une direction privilégiée, puisque le signal satellite vient toujours du ciel.

On définit la directivité d’une antenne par son gain, relativement à une antenne isotrope idéale. Elle est donnée en dBi, déciBel isotrope. On trouve dans les documentations constructeur des diagrammes de rayonnement, permettant de connaître la directivité d’une antenne.

antenne IoTAntenne GNSS (Molex 2116240001) directive, gain de 4,5dBi dans la meilleure direction

 

Le rapport d’onde stationnaire et le coefficient de réflexion (noté Γ) sont deux mesures permettant de qualifier la qualité de l’antenne. Il s’agit de définir le signal réellement transmis à l’antenne, par rapport au signal réfléchi par l’antenne (qui ne sera donc pas rayonné). Le ROS (SWR) est supérieur à 1. Plus il est proche de l’unité, moins le signal sera réfléchi par l’antenne, et donc plus l’antenne sera efficace. Dans les documentations, on trouve souvent le “Return Loss”, qui est proportionnel au logarithme du coefficient de réflexion. Plus le “Return Loss” est négatif, plus l’antenne est adaptée à la fréquence étudiée.

antenne IoT

Antenova Moseni, VSWR à gauche et Return Loss à droite. Les zones bleues correspondent aux fréquences adaptées à l’antenne

On voit également l’efficacité de l’antenne, qui correspond au ratio entre la puissance réellement rayonnée et la puissance absorbée.

 

Comment valider leur performance ?

Comme abordé précédemment, une bonne antenne doit répondre à deux principaux critères (pour une fréquence donnée)  :

  • “Absorber” le maximum du signal entrant, c’est-à-dire avoir une réflexion la plus faible possible (c’est le VSWR et le “Return Loss”),
  • Convertir au mieux le signal électrique  en rayonnement électromagnétique, et inversement (c’est l’efficacité).

Nous avons donc mené l’expérience de comparer les performances de deux antennes entre elles en fonction de leur environnement.

 

Cas pratique : comparatif d'antennes

Mesure en conduit

Dans le cadre d’un projet avec un client, une étude devait être faite pour déterminer laquelle des 2 antennes serait la plus adaptée et la plus performante. Nous avons donc mené nos tests sur 2 antennes Molex bibandes (868 MHz et 915 MHz).

Nous avons choisi de mener cette expérience en plaçant l’antenne dans 3 environnements différents : sur un boîtier en métal, un boîtier plastique et à l’air libre.

C’est avec l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel (VNA en anglais), que nous allons prendre les mesures. Ce type d’appareil est très onéreux, si vous n’en possédez pas, il est toujours possible d’en louer à la semaine ou d’effectuer vos tests dans des labos qui détiennent ce type d'appareil.

Dans tous les cas, il vous faudra à un moment donné faire appel à un laboratoire si vous souhaitez passer les certifications et que votre antenne respecte les normes. Vous trouverez plus d'information à ce sujet dans cet article sur la CEM et celui-ci sur la certification CE.

Voici donc ce que nous avons obtenu :

antenne IoT

antenne IoT

Sur les graphiques rectangulaires, on peut donc observer, selon nos critères d’exigence, que :

  • ces antennes ne sont pas du tout adaptées au métal, sur les 2 fréquences,
  • elles ne conviennent pas vraiment à l’air libre, sur les 2 fréquences,
  • en revanche, elles conviennent parfaitement au plastique.

On note également que la seconde antenne a des meilleures performances, de l’ordre de 2 à 3 dB. En effet, la Molex 211140 est moins encombrante, mais ses performances ont été réduites au détriment de sa compacité.

 

Mesure en rayonné

Afin de terminer la validation d’une antenne, il faut également vérifier l’efficacité de l’antenne. Grâce au S11, nous avons vu que les 2 antennes absorbent correctement la puissance électrique fournie par la source (ici le VNA). Il faut maintenant s’assurer que cette puissance est correctement convertie en onde électromagnétique, et non perdue en chaleur.

Pour cela, on va utiliser un générateur RF connecté à l’antenne à tester, et on va mesurer le rayonnement électromagnétique créé par le système. On place une antenne de référence à quelques mètres de distance, puis on mesure le signal reçu par celle-ci.

antenne IoT

Pour cet essai, on a placé successivement 2 antennes A et B sur un plateau rotatif, que l’on a fait pivoter. L’appareil de mesure (un analyseur de spectre) est configuré en “Max Hold”, c’est-à-dire qu’il ne conserve que la valeur maximum mesurée. La courbe bleue correspond à l’antenne A, et la courbe jaune correspond à l’antenne B.

On observe une différence de plusieurs dB entre les deux puissances reçues. Pour une même puissance fournie par l’émetteur (et donc pour une consommation électrique identique), l’antenne A émet davantage, et a donc de meilleures performances.

En se plaçant en “Max Hold”, on compare le signal maximum des deux antennes. On peut également prendre des mesures successives à intervalle régulier (par exemple, tous les 15°) puis tracer un diagramme de rayonnement. Ce sont ces graphes qui sont souvent présentés dans les documentations techniques.

antenne IoT

Diagramme de rayonnement XY de la Molex 206764

 

L'adaptation d'une antenne

Après avoir effectué ces tests, il reste possible de modifier les paramètres de l’antenne pour optimiser ses performances. Nous n’allons pas détailler cette partie car elle est plus complexe.

Il faut simplement savoir qu’un émetteur/récepteur est conçu pour fonctionner à 50 ohms mais qu’en réalité, l’impédance de l’antenne ne sera pas toujours exactement de 50 ohms.

Donc les équipes techniques se chargent de réajuster l'impédance de l’antenne pour que le système ait des performances optimales et puisse tout aussi bien fonctionner dans un contexte légèrement différent (car c'est ce qui va affecter ses performances). Cette pratique permet de minimiser les pertes.

 

Conclusion

Vous connaissez désormais les grandes étapes pour choisir l'antenne de votre produit connecté. Au delà du côté physique de l’antenne (encombrement et compatibilité) et du choix de la technologie, les tests à effectuer seront décisifs quant à la performance radio de votre produit.

 

Pour aller plus loin, téléchargez le guide gratuit

Guide : comprendre les objets connectés

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