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Qu'est-ce qu'une antenne PCB ? Tout ce que tu as besoin de savoir

Table des matières

Une antenne PCB se trouve sur le PCB lui-même et ne nécessite aucune pièce externe. En conséquence, il offre, entre autres avantages, des économies de coûts et d’espace. Apprenez-en davantage dans ce guide complet et découvrez pourquoi il constitue un excellent choix pour les systèmes de communication RF. Parmi les sujets que nous aborderons figurent.

  • Qu'est-ce que c'est et comment est-ce que ça marche?
  • Applications courantes
  • Ses différents types
  • Et les étapes à suivre pour en concevoir un

Qu'est-ce qu'une antenne PCB ?

C'est un type d'antenne placée sur un circuit imprimé. Il utilise des traces comme éléments conducteurs. En d’autres termes, il fait partie du circuit imprimé au lieu d’être connecté en externe.

Lorsqu'il est utilisé avec un circuit RF, il aide à transformer les ondes radio en petites impulsions d'un courant électrique. Il peut également fonctionner comme un émetteur et remplir un objectif opposé.

Le fabriquer directement sur la carte offre plusieurs avantages, notamment un coût inférieur et une intégration facile. Il trouve des utilisations utiles dans les appareils électroniques dotés d'une communication sans fil pour diverses bandes de fréquences, notamment le cellulaire, le Wi-Fi et le Bluetooth.

Comment fonctionne l'antenne PCB

Une antenne imprimée sur PCB permet de transmettre ou de recevoir des hautes fréquences ondes électromagnétiques. Il fonctionne avec un circuit haute fréquence pour convertir l'énergie des ondes RF en signaux électriques et vice versa. Voici son fonctionnement plus en détail :

Transmission : Le circuit RF envoie une charge électrique variable à l'antenne. La charge génère une onde électromagnétique qui rayonne dans l’espace, transportant le signal transmis.

réception: le champ électromagnétique induit une charge dans l'antenne, générant une courant et tension. Le circuit RF le décode pour séparer ou extraire le signal transmis.

Le rayonnement des ondes varie en fonction de sa conception. Il est généralement directionnel, semi-directionnel ou omnidirectionnel. Voici ce que cela signifie.

  • Un type directionnel n'a qu'une seule direction
  • Le type semi-directionnel a un angle de propagation du signal défini
  • En revanche, le type omnidirectionnel peut envoyer des signaux dans toutes les directions.
Antenne PCB 5G
Antenne PCB 5G
Ressource: https://www.microwavejournal.com

Applications d'antenne PCB

Les applications où l'intégration d'une antenne sur un circuit imprimé est nécessaire – et constitue un avantage – incluent celles répertoriées ci-dessous.

  • Systèmes de communication sans fil : les exemples incluent les antennes PCB 3G et 4G pour les communications cellulaires à longue portée et les types Wi-Fi ou Bluetooth pour les communications à courte portée.
  • Systèmes automobiles : véhicule Systèmes GPS et d'autres applications sans fil comme l'entrée sans clé l'utilisent pour envoyer et recevoir des signaux.
  • RFID : les ondes radio de divers systèmes et dispositifs d'identification et de suivi RF utilisent des antennes compactes fabriquées sur des cartes de circuits imprimés.
  • Équipement médical: une gamme d'appareils de surveillance médicale, y compris des types portables, en dépendent pour envoyer et recevoir des ondes de communication

Avantages de l'antenne PCB

Une antenne PCB interne est une option populaire lors de la fabrication de systèmes et d'appareils électroniques sans fil. L'intégration offre ces avantages.

  • Prix: vous n'avez besoin d'aucun matériel ou pièce supplémentaire pour le produire car il utilise des traces et des circuits de circuits imprimés. Cela réduit le coût de fabrication de votre appareil de communication sans fil.
  • Taille: ils occupent un minimum d'espace, ce qui en fait une excellente option pour les appareils portables compacts comme les téléphones mobiles ou les gadgets de surveillance portables.
  • Capacité de fabrication : il nécessite moins de matériaux à placer sur un circuit imprimé, ce qui en fait une option privilégiée pour de nombreux systèmes sans fil.

Les antennes de circuits imprimés présentent quelques inconvénients. Leur compacité peut limiter leur bande passante et réduire leur efficacité. Ils sont également plus sujets aux interférences environnementales.

Types et conceptions d'antennes PCB
Types et conceptions d'antennes PCB
Ressource: https://www.researchgate.net

Types d'antenne PCB

Vous pouvez distinguer les différents types d'antennes PCB par leurs caractéristiques de conception ou leurs structures. À la lumière de cela, nous avons ces différentes conceptions.

Antenne monopolaire PCB

Il ne comporte qu’un seul élément conducteur : une section unique et droite de la trace. Ces types sont simples à fabriquer, compacts et peu coûteux à créer et à placer sur un circuit imprimé. Ils offrent une couverture à 360 degrés.

Antenne dipôle PCB

Contrairement au type monopôle, il comporte deux éléments conducteurs de longueurs égales. Il offre un diagramme de rayonnement bidirectionnel, ce qui en fait une version à bande étroite.

Antenne de raccordement PCB

Il ressemble à un patch sur le circuit imprimé et peut avoir différentes formes, notamment rectangulaire, carrée et ronde. Bien qu'il soit relativement important, il offre plusieurs avantages, comme un gain élevé.

Antenne boucle PCB

Il utilise des conducteurs qui forment une forme de boucle, avec des bornes de récepteur et d'émetteur connectées à chaque extrémité. Cette conception a une efficacité inférieure à celle de la plupart des autres types, mais elle est l’une des plus simples à concevoir ou à utiliser.

Antenne hélicoïdale PCB

Il utilise un élément conducteur en forme d'hélice. Le conducteur en spirale offre plusieurs avantages, l’un d’eux étant le gain de place. Sa conception en fait également un type directionnel avec un gain élevé mais une bande passante étroite.

Antenne à fente pour PCB

Le matériau conducteur (trace) est fendu. Cette conception crée un résonateur qui rayonne l'énergie électromagnétique lorsqu'il est alimenté par un signal RF. La même chose se produit lorsque les ondes RF le frappent.

Antenne PCB Yagi

Le Yagi utilise un élément piloté, tel qu'un récepteur dipolaire entre un réflecteur de signal et un ou plusieurs directeurs de signal. Elle a un gain élevé mais prend plus de place que la plupart des autres types d'antennes PCB.

Antenne F inversée planaire

Comme son nom l’indique, il ressemble à un F à l’envers sur le circuit imprimé. Il s'agit d'un système omnidirectionnel offrant un rendement élevé et un encombrement réduit. Il est populaire sur les appareils mobiles ou portables comme les smartphones et les tablettes.

Antenne Ligne Méandre

L'élément conducteur se plie d'avant en arrière, créant une structure sinueuse qui raccourcit considérablement la longueur totale. Bien que plus compact, il présente un défi en termes de diagramme de rayonnement et de plusieurs autres propriétés.

Conception d'une antenne GSM PCB
Conception d'une antenne GSM PCB
Ressource: https://forum.arduino.cc

Comment concevoir une antenne PCB

La conception d'une antenne PCB implique ces étapes principales :

  • Préciser son type
  • Calculer la taille
  • Détermination des besoins électriques,
  • Création des schémas et de la mise en page
  • Et enfin, exécuter des simulations.

Type d'antenne et matériau de la carte

Déterminez la conception ou la structure souhaitée. Il existe de nombreux choix. Ils vont des structures monopôles aux structures dipolaires et plus encore. Votre choix dépendra du diagramme de rayonnement souhaité et des contraintes de bande passante ou de fréquence et de taille.

Déterminez le matériau du panneau. Vos options incluent le FR4 et les métaux et dépendent des facteurs suivants : caractéristiques électriques requises, exigences en matière de propriétés mécaniques et coût.

Taille d'antenne

Cette étape nécessite quelques calculs pour déterminer les spécifications suivantes : hauteur, largeur et longueur de l'antenne. Ici, nous supposons que le matériau du circuit imprimé (substrat) est FR4.

Pour calculer la hauteur du substrat, utilisez cette formule où C représente la vitesse de la lumière en m/s et Σr la constante diélectrique du substrat.

Pour la largeur de trace, voici la formule à utiliser. Encore une fois, Σr est la constante diélectrique du matériau.

Enfin, utilisez cette formule pour déterminer la longueur de la trace. Ici, Σff représente la permittivité effective et ΔL la longueur physique.

La formule ci-dessous vous donne le rapport largeur/profondeur du microruban. Dans la formule, « W » signifie la largeur de la trace, tandis que « A » signifie la surface effective.

Exigences électriques

Votre circuit RF fonctionnera sous diverses contraintes en fonction de son application ou de son environnement d'utilisation finale. Commencez par spécifier les éléments suivants : la fréquence de fonctionnement et le diagramme de rayonnement, la polarisation, impédance, etc.

Schémas et mise en page

Créez ses schémas à l'aide d'un programme de conception. Cette partie implique également la création de la disposition physique. Une fois les composants disposés et les interconnexions réalisées, vous pouvez l'exécuter pour prédire son fonctionnement.

Simulation de conception

Une fois que toutes les exigences sont en place et que la conception est lue, exécutez-la à l'aide d'un programme de simulation. Les simulations vous aident à détecter les erreurs de conception avant le prototypage ou la production finale. Vous pouvez utiliser divers programmes de simulation, notamment ANSYS, CST studio et HFSS.

Conception d'antenne PCB 4G
Conception d'antenne PCB 4G
Ressource: https://www.youtube.com/watch?v=m0B-63Q-R_8

Considérations relatives à la conception des circuits imprimés

La conception d'un PCB nécessite un examen attentif de divers paramètres, sinon il risque de ne pas fonctionner efficacement. Pour l'optimiser pour la transmission ou la réception du signal, tenez compte de ces facteurs.

Position

Vous pouvez généralement le placer n'importe où sur le tableau. Cela dépend de l'application. Cependant, les coins constituent les positions les plus idéales. Il dispose de jusqu'à cinq directions d'émission et de réception lorsqu'il est placé dans un coin, ce qui le rend plus efficace.

Taille et poids

Les antennes de circuits imprimés sont légères et petites. En fonction de l'utilisation finale de la carte, assurez-vous que la vôtre ne dépasse pas les limites acceptables en matière de taille et de poids, surtout si vous la concevez pour un appareil portable ou portable.

Plan au sol

Dimensionnez correctement le plan de masse. Faites-le suffisamment grand. Une masse mal placée affecte le diagramme de rayonnement, entraînant une inefficacité de l'ensemble du circuit RF.

Dégagement des composants

Gardez les composants à l'écart. Ils provoquent des interférences et affectent la transmission ou la réception du signal. Ceux-ci inclus appareils électroniques et vis de montage, et autres pièces métalliques.

Ligne de transmission

La ligne de transmission est le chemin conducteur qui transporte le signal RF vers le circuit de réception. Rendez-le droit pour éviter la dégradation du signal.

Antenne à puce vs antenne PCB
Antenne à puce vs antenne PCB
Ressource: https://www.youtube.com/watch?v=ZVo2RkBS14o

Antenne PCB vs antenne à puce

Une antenne de circuit imprimé est imprimée sur la carte à l'aide de traces conductrices. Un type de puce consiste à placer un matériau diélectrique entre deux pièces conductrices. Outre les différences structurelles et de conception, les autres caractéristiques qui distinguent les deux sont les suivantes.

Un type imprimé prend plus de place qu’un type à puce mais coûte moins cher. Il produit également des signaux plus forts et prend en charge un bande passante plus élevée. Cependant, il est plus sujet aux facteurs environnementaux, tels que les interférences.

Le type de puce est plus compact et facile à modifier. Les facteurs environnementaux l’affectent également moins. Par contre, il coûte plus cher et a une puissance de signal longue et une plage de fréquences limitée.

Conclusion

L'antenne PCB est l'un des types les plus populaires aujourd'hui. Il est facile à mettre en œuvre, personnalisable et disponible dans de nombreuses options de conception. De nombreuses cartes de circuits imprimés d'appareils de communication sans fil l'utilisent, des cartes de téléphonie mobile au GPS et autres systèmes IoT.

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