Conception RF embarquée : Antennes à Puce Céramique vs Antennes de Piste de circuits imprimés

October 27, 2019 Altium Designer

Interior of modern café

Ces dernières années, les cafés se sont multipliés et chacun de ces établissements recherche maintenant de nouvelles façons de se différencier. Cafés-librairies, menus gourmets servis par des baristas maîtrisant parfaitement leur sujet ou encore cafés à chats... rien ne manque à l'appel. 

Si l'on y réfléchit bien, lorsque la plupart des gens se rendent dans un café, c'est en général pour l'une des raisons suivantes : boire ou manger quelque chose, retrouver leurs amis pour discuter ou travailler dans un autre lieu que leur bureau ou leur domicile. Ces petites choses en plus qui différencient un café d'un autre sont, en quelque sorte, la cerise sur le gâteau, mais l'idée reste la même. C'est aussi valable pour le choix des composants de vos circuits imprimés. 

Face aux progrès de la robotique, l'IA et l'Internet des objets, les solutions d'émetteurs-récepteurs RF embarquées à la fois compactes, hautement performantes et peu coûteuses sont devenues très demandées, et ce depuis de nombreuses années déjà. Toutefois, ce sont toujours bien le coût, le placement et l'expertise qui guident le concepteur lorsque celui-ci doit choisir entre une antenne à puce en céramique et une antenne de type piste de circuit imprimé.

Antennes de circuits imprimés : connaître sa bande de fréquence

Autrefois, le concepteur pouvait envisager de privilégier une antenne de piste plus fiable aux dépens de la bande de fréquence ciblée. Les antennes embarquées modernes sont conçues pour couvrir une bande passante comprise entre 400 mégahertz et 5,5 gigahertz. Face à des antennes en céramique de plus en plus fiables, abordables et simples d'utilisation, la concurrence entre les types d'antennes commence toutefois à s'intensifier.

Il faut savoir que le placement d'une piste simple sur un circuit imprimé par un concepteur et à partir d'un outil de CAO, avant la fabrication, ne demande que peu d'investissement. Cependant, et malgré le faible coût des antennes de piste, les antennes à puce en céramique restent privilégiées dans de nombreux cas. L'investissement qu'elles nécessitent peut en effet être compensé par les avantages offerts : taille réduite, plus grande facilité de mise en œuvre et tolérance accrue aux interférences environnementales.

Antennes de piste de circuit imprimé

Les antennes de piste de circuit imprimé sont réputées pour être particulièrement difficiles à concevoir, mettre en œuvre et syntoniser, notamment si vous cherchez à obtenir une installation de taille réduite et fiable. Comme chez les antennes filaires, la taille de l'antenne de piste varie en fonction des fréquences de la bande passante cible. Ainsi, à basse fréquence, l'antenne de piste devra être plus rallongée afin de permettre la résonance du signal. 

Une antenne de piste de circuit imprimé vous offrira les avantages suivants :

  • L'antenne de piste est embarquée dans la carte du circuit imprimé au cours du processus de fabrication.

  • Lorsque la syntonisation est optimale, une antenne de piste peut couvrir une large bande passante tout en assurant une fiabilité et une force élevées à l'échelle du réseau.

  • Les antennes de piste sont fines.

Les antennes de piste de circuit imprimé présentent néanmoins les inconvénients suivants:

  • Leur conception est complexe, en particulier à basse fréquence. Ces antennes sont très sensibles aux modifications du placement et doivent en général être syntonisées après chaque changement, voire réusinées.

  • Elles occupent bien plus d'espace qu'une antenne à puce en céramique et cela est d'autant plus vrai si vous travaillez sur une conception pour des fréquences basses. Plus l'espace occupé sur le circuit imprimé est important, plus la conception sera onéreuse.

  • Les antennes de piste sont très sensibles aux interférences environnementales.

Les antennes de piste de circuit imprimé ne peuvent plus être physiquement modifiées par le concepteur une fois la fabrication achevée. Par conséquent, si des changements doivent être apportés, l'utilisateur devra modifier la conception, puis relancer la fabrication de la carte. L'espace accru occupé par l'antenne PCB et le temps nécessaire à sa conception/sa syntonisation, qui requiert en général un logiciel de simulation et des tests avancés, peuvent inciter le concepteur de la carte à opter plutôt pour une antenne à puce en céramique. 

SIM card on PCB with antenna attached

Quelle que soit votre antenne, ses dimensions et sa bande passante demeureront au centre de vos préoccupations.

Antennes à puce en céramique

Les antennes à puce en céramique doivent en général être syntonisées par un analyseur de réseau, qui ne peut toutefois pas agir sur les propriétés physiques de l'antenne puisque celles-ci ne peuvent plus être manipulées une fois la carte imprimée. Il n'est ainsi plus nécessaire d'utiliser un logiciel de simulation ni de fabriquer de nouveaux prototypes coûteux, pour lesquels les anciens composants ne pourront pas être réutilisés.

Les antennes à puce en céramique peuvent vous offrir les avantages suivants :

  • Vous pouvez choisir entre de multiples configurations et obtenir une taille réduite.

  • Ces antennes ne sont pas aussi sensibles aux interférences de proximité liées au bruit ambiant et aux composants.

  • Il est plus facile d'apporter des modifications à la conception ou au routage sans qu'une simulation ne soit nécessaire. L'antenne à puce en céramique peut être syntonisée, voire remplacée, sans grande difficulté.

  • Les antennes à puce en céramique présentent aussi des inconvénients :

  • Le coût d'achat initial des antennes à puce en céramique et des composants de support est plus élevé. Actuellement, le prix moyen d'une antenne à puce est compris entre 0,10 et 1,60 dollar.

L'antenne à puce en céramique est un composant qui est intégré à la carte après la phase de conception. Elle permet de bénéficier d'une syntonisation plus souple lors du développement. Montées en surface, les antennes à puce en céramique peuvent facilement être démontées et remplacées en cas de modifications matérielles.

En outre, ces antennes vous permettront de libérer davantage d'espace sur la carte afin d'intégrer tous les composants souhaités. Vous pourrez également choisir de réduire les dimensions de la carte afin de limiter les coûts de fabrication. Il est ainsi essentiel pour les ingénieurs concevant des circuits imprimés multi-couches produits en série de considérer l'espace gaspillé sur chaque couche ajoutée à un schéma de carte incluant une antenne de piste PCB. 

Abstract sound waves representing frequency and amplification

Choisissez l'antenne qui répond le mieux aux besoins de votre circuit imprimé : coût et fonction. 

Il n'est jamais simple de créer l'antenne la plus petite possible tout en minimisant le temps nécessaire à la syntonisation, en maximisant la force du signal et en libérant de l'espace pour les autres composants. Quelle que soit la méthode choisie, il est préférable de tester de manière approfondie le prototype final afin de déterminer les mesures OTA (Over The Air) et évaluer ainsi sa viabilité. 

Si une syntonisation est nécessaire, il vous est possible de simplifier et d'accélérer ce processus en choisissant le bon logiciel de conception de circuits imprimés. Vous recherchez un logiciel doté de fonctionnalités avancées, telles que le routage automatique interactif, un outil d'analyse de la distribution des réseaux d'alimentation et un passage simplifié du routage en 2D vers la 3D ? Altium Designer peut vous offrir l'environnement de conception unifié dont vous avez besoin pour réussir toutes vos conceptions.

Pour en savoir plus sur les différents types d'antennes adaptés à votre circuit imprimé ou simplement obtenir de plus amples informations sur les exigences liées aux fréquences, n'hésitez pas à contacter un expert Altium.

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