Principes fondamentaux de l'antenne PCB expliqués

Introduction

Un guide détaillé sur les antennes PCB : ce qu'elles sont ; Comment ils travaillent; et leur importance pour la conception des circuits imprimés ainsi que les problèmes de performances et de taille à surveiller.

Antennes PCB

Vous repartirez avec une compréhension solide des principes fondamentaux et de la terminologie des antennes, ainsi qu'une compréhension de la façon dont les différents types et configurations d'antennes PCB peuvent améliorer les performances, la taille, le coût, l'efficacité, la fiabilité et d'autres facteurs tels que la puissance. exigences de traitement, bandes passantes, fréquences, etc.

Avec les progrès technologiques et la miniaturisation des appareils électroniques, devenus plus compacts et nécessitant moins de composants externes volumineux grâce aux circuits intégrés (CI) qui utilisent des cartes de circuits imprimés pour monter leurs composants et ainsi occuper moins d'espace, les antennes ont progressivement disparu des cartes de circuits imprimés.

Maintenant que les PCB sont redevenus plus grands grâce à la miniaturisation des CI tels que les SMD ( SMT ), certaines considérations EMI entrent en jeu, nécessitant la conception et la mise en œuvre d'antennes PCB sur les pistes PCB plus que jamais auparavant !

Qu'est-ce qu'une antenne PCB ?

Une antenne pour circuit imprimé est une petite pièce métallique plate généralement placée derrière un circuit imprimé. Cette antenne permet la transmission et la réception de signaux radio pour des appareils tels que les ordinateurs , les téléphones portables et autres équipements électroniques. Son fonctionnement repose sur la conversion des ondes électromagnétiques présentes dans l'air en signaux électriques transmissibles par voie hertzienne.

La conception des antennes de circuits imprimés est une étape importante du processus de fabrication. Ces antennes sont généralement constituées de pistes métalliques et de vias gravés dans la surface en cuivre du circuit imprimé. Les pistes métalliques sont reliées aux vias, obtenus par perçage du circuit imprimé à des points précis.

Utilisation de l'antenne dans un PCB

L'utilisation d'une antenne sur un circuit imprimé est essentielle à sa conception, car elle permet d'accroître la portée et la puissance des signaux sans fil . L'antenne est essentiellement une tige métallique qui facilite la transmission des signaux entre les appareils. Elle fonctionne en émettant des ondes radio dans toutes les directions, permettant ainsi la communication simultanée avec plusieurs appareils.

L'antenne fonctionne en convertissant l'énergie électrique en rayonnement électromagnétique et vice versa. Le rayonnement électromagnétique est constitué de photons, qui sont des paquets d'énergie électromagnétique.

Un module de radiofréquence (RF) peut être constitué d'une ou plusieurs antennes, qui sont connectées au PCB via des pistes de carte de circuit imprimé (PCB).

Différentes antennes PCB

Types d'antenne PCB

Les antennes PCB sont parmi les plus courantes dans les appareils mobiles . On les retrouve également dans d'autres appareils électroniques, comme les téléphones portables, les ordinateurs portables et les tablettes. Plusieurs types d' antennes PCB sont disponibles :

Antennes internes

Ces antennes sont situées à l'intérieur de l'appareil et ne sont généralement pas visibles. Ils sont utilisés pour se connecter à un réseau sans fil via des ondes radio. La connexion de l'antenne interne est souvent cachée dans le boîtier du téléphone ou de l'ordinateur portable, ou même dans le circuit imprimé de l'appareil lui-même. C'est pourquoi de nombreux utilisateurs ne savent pas qu'ils disposent d'une antenne interne.

Les antennes internes sont généralement utilisées dans les appareils sans fil tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables, ainsi que dans les périphériques Bluetooth comme les claviers et les souris. Elles ne comportent aucune pièce externe et peuvent être réalisées à l'aide de circuits imprimés (PCB).

Antennes intégrées

Le terme « intégré » désigne un type d’antenne interne conçue pour s’intégrer directement aux appareils. Les antennes intégrées sont souvent utilisées pour se connecter à d’autres types d’antennes, telles que des antennes externes ou des antennes montées sur le toit.

Ces antennes peuvent être en métal et en plastique. Ils sont généralement conçus pour être intégrés dans le châssis d'un appareil, bien qu'ils puissent également être montés sur des surfaces ou des structures à proximité de l'appareil lui-même.

Les antennes intégrées sont généralement utilisées dans les appareils mobiles dotés de capacités sans fil, tels que les smartphones ou les tablettes.

Antennes à puce

Un type d'antenne interne utilisé depuis des décennies. Ces antennes sont généralement fabriquées à partir de matériaux de haute qualité comme l'or, l'argent et le cuivre. Ils peuvent être utilisés dans le suivi GPS, les téléphones mobiles et même les connexions Internet sans fil.

La taille de la puce dépendra de la puissance dont elle a besoin pour transmettre ou recevoir des signaux à différentes distances de sa source.

Par exemple, si vous souhaitez envoyer des données d'un endroit à un autre à l'aide d'une antenne, vous aurez besoin de plus de puissance que si vous vouliez simplement recevoir des données pour les afficher sur votre écran ou les envoyer par e-mail. Par conséquent, votre puce devra également être plus petite afin de ne pas prendre trop de place à l'intérieur de votre appareil !

Antennes patch

Une petite antenne à panneau plat qui peut être utilisée pour transmettre ou recevoir des signaux. Il fonctionne de la même manière que les antennes plus grandes. Les antennes patch sont utilisées dans des applications où l'espace est limité, comme à l'intérieur des ordinateurs et dans d'autres équipements électroniques. Ils sont également utilisés dans le cadre d'un plus grand réseau d'antennes sur des satellites, des engins spatiaux et d'autres véhicules.

Antennes flexibles

Une antenne flexible est un type d'antenne qui peut être pliée ou repliée sans que cela n'affecte son fonctionnement ni ses performances. Les antennes flexibles sont généralement constituées de fil ou de tubes de cuivre, isolés par des isolateurs en plastique et séparés des autres composants de l'appareil sur lequel elles sont installées.

Les antennes flexibles ont de nombreuses applications, y compris les téléphones mobiles et les ordinateurs portables, où elles permettent aux utilisateurs de transporter leurs appareils dans leurs poches sans trop restreindre leurs mouvements tout en leur laissant une plus grande liberté lors de l'interaction avec ces appareils via des écrans tactiles, etc.

Antennes externes

Ces types d'antennes sont le type d'antenne le plus courant, et elles sont facilement reconnaissables par leur longueur et leur forme. Ils peuvent être branchés sur un émetteur via un connecteur spécifique.

L'émetteur envoie le signal à l'antenne externe, qui l'envoie ensuite dans toutes les directions. Ce type d'antenne est souvent utilisé pour les communications à longue portée et peut être trouvé sur des choses comme les antennes paraboliques.

Il existe deux types d'antennes externes. Ce sont l'antenne omnidirectionnelle et l'antenne directionnelle.

Antenne omnidirectionnelle

Ce type d'antenne est une antenne externe qui émet ou intercepte les champs électromagnétiques radiofréquences de manière uniforme dans toutes les directions horizontales d'un plan géométrique bidimensionnel. Les antennes omnidirectionnelles sont généralement utilisées pour des applications à courte et moyenne portée, telles que les liaisons point à point, les routeurs Wi-Fi et les scanners.

L'antenne omnidirectionnelle a également quelques types en fonction de leur apparence et de leur utilisation. En voici quelques uns:

Antenne à montage sur borne

Un type d'antenne omnidirectionnelle qui est longue et montée dans le PCB. Ils peuvent être utilisés pour diverses applications telles que les communications RFID, Bluetooth et NFC. Les antennes à montage sur borne sont disponibles dans différentes formes et tailles. Ils ont tous une chose en commun; ils sont conçus pour être montés sur un PCB ou un circuit imprimé individuellement ou dans le cadre d'un réseau.

Fouet Antenne

Il s'agit d'un type courant d'antenne à charge de base, dont la bobine de charge est fixée à l'extrémité du fouet. L' impédance élevée à cette extrémité induit une circulation de courant circulaire sur la surface interne de la bobine . On peut se représenter cette circulation en imaginant une petite quantité de charges se déplaçant en cercles à l'intérieur d'un cercle plus grand.

Les antennes fouet sont utilisées pour les applications de communication à courte portée telles que la diffusion radio AM, la communication radio bande citoyenne et le fonctionnement sur des bandes radio amateur de 2 mètres.

Antenne de canard en caoutchouc

Un type d'antenne omnidirectionnelle est une antenne monopôle électriquement courte qui fonctionne comme une antenne fouet. Il est également connu sous le nom de canard en caoutchouc ou tout simplement de canard. Ce type d'antenne se trouve le plus souvent sur les appareils portables comme les téléphones portables, les radios et les talkies-walkies, car il est fait d'un matériau flexible et peut être plié dans de nombreuses formes différentes.

Antenne dipôle extérieure

Type d'antenne omnidirectionnelle produisant un diagramme de rayonnement. Il se rapproche de celui d'un dipôle électrique élémentaire. Cela signifie que l'antenne comporte deux éléments conducteurs identiques séparés par une distance, qui jouent le rôle de structure rayonnante. La longueur des éléments et leur séparation déterminent la fréquence à laquelle ce type d'antenne fonctionne.

Antenne style rondelle

Cette antenne est un type d'antenne omnidirectionnelle en forme de petit disque et est un système d'antenne 5 en 1 dans un seul boîtier, utilisé pour tout système DTV ou HDTV. Peut également être utilisé à la maison ou dans les voitures. L'antenne de type rondelle fonctionne en captant les signaux de toutes les directions et en les envoyant au récepteur. Il est livré avec un amplificateur intégré à sa base qui aide à augmenter la force du signal en cas de besoin.

Antenne à montage magnétique

L'antenne à montage magnétique est un type d'antenne omnidirectionnelle conçue avec un aimant puissant qui maintient votre antenne sur une surface, telle que votre voiture ou le côté de votre maison. Ce type d'antenne est souvent utilisé pour les applications extérieures où il y a peu de place pour des options plus traditionnelles, telles qu'un montage sur toit ou sur poteau.

Une antenne à montage magnétique est idéale pour ceux qui souhaitent utiliser leur montage sur le toit existant à d'autres fins, et elle peut également être facilement installée sur des surfaces métalliques comme une clôture ou une porte de garage.

Antenne à montage vissé

Ce type d'antenne omnidirectionnelle est conçu pour être monté en perçant un trou dans le plafond ou le panneau mural. Ce type d'antenne a une longue histoire et a été l'un des premiers types d'antennes inventés. La conception a été inspirée par les paratonnerres, qui ont été utilisés pour attirer la foudre de leurs cibles.

Les antennes à montage à vis sont disponibles dans de nombreuses tailles et formes différentes, certaines étant plus courantes que d'autres. Il existe également des variantes de ce type d'antenne qui peuvent inclure un amplificateur intégré afin qu'il puisse mieux capter les signaux que d'autres types d'antennes pourraient le faire par eux-mêmes.

Antenne Directionnelle

Aussi appelée antenne à faisceau. C'est une antenne qui rayonne ou reçoit de l'énergie dans des directions spécifiques. Il permet des performances accrues et une réduction des interférences provenant de toute source indésirable. Ce type d'antenne est couramment utilisé avec les satellites car ils sont capables de transmettre et de recevoir des signaux dans une direction très étroite. L'antenne parabolique est un exemple d'antenne directionnelle qui transmet et reçoit des signaux d'antennes terrestres.

Les antennes directionnelles ont également quelques types en fonction de l'utilisation et de l'apparence. Voici quelques types d'antennes directionnelles :

Panneau Antenne

Il a la forme d'une feuille ou d'un panneau. Les antennes à panneau sont souvent utilisées dans les réseaux de télédiffusion et de téléphonie mobile.

Ces antennes sont fabriquées à partir de plaques ou de feuilles plates de matériau conducteur, comme le cuivre ou l'aluminium . Elles présentent l'avantage de pouvoir être façonnées en de nombreuses formes et tailles différentes, ce qui les rend utiles pour diverses applications.

Par exemple, une antenne panneau peut être configurée de manière à fournir une large couverture sur une région entière, ou elle peut être configurée de manière à fournir une couverture focalisée sur une seule zone.

Antenne parabolique

un type d'antenne directionnelle qui est un type d'antenne parabolique en forme de parabole. Il se compose d'un réflecteur, d'une alimentation et d'un sous-réflecteur. Le réflecteur collecte les ondes radio du ciel et les concentre dans l'alimentation, qui les convertit en un signal électrique. Le sous-réflecteur aide à maintenir un point focal constant pour le réflecteur.

L'antenne parabolique est utilisée dans les systèmes de communication par satellite, les systèmes LAN sans fil et la radioastronomie. Dans les systèmes LAN sans fil, il est utilisé pour envoyer et recevoir des données sur un réseau sans fil (WiFi). En radioastronomie, il est utilisé pour capter les ondes radio de l'espace à l'aide de grands télescopes pointés sur des zones spécifiques du ciel.

Antenne Yagi

Une antenne directionnelle qui émet des signaux dans une direction principale. Il est composé d'un certain nombre d'éléments, ou dipôles, qui sont reliés entre eux à une extrémité et à un réflecteur à l'autre extrémité. Sa forme ressemble à la lettre Y, d'où son nom.

L'antenne Yagi a un gain élevé par rapport aux autres types d'antennes car il y a plusieurs dipôles qui rayonnent en phase les uns avec les autres et se combinent pour produire de meilleures performances. La longueur et l'orientation de chaque dipôle déterminent la quantité de signal émise par chaque élément.

Comment choisir des antennes pour vos applications PCB

Il y a beaucoup de choses à considérer lors du choix d'une antenne pour votre application PCB. La première étape consiste à déterminer la gamme de fréquence de votre antenne, ainsi que sa bande passante. Une antenne à large bande couvrira une plage de fréquences plus large qu'une antenne à bande étroite et pourra également fonctionner sur plusieurs fréquences.

Si vous voulez le plus de flexibilité en termes de bandes passantes et de gammes de fréquences, vous devriez rechercher une antenne directionnelle. Ces antennes ont des bandes passantes plus étroites que les autres types d'antennes, mais elles peuvent également être réglées à l'aide d'un logiciel.

Pour les applications nécessitant un gain élevé et/ou une directivité importante, privilégiez une antenne à fente ou une antenne patch. Ces antennes sont généralement plus grandes que les autres types d'antennes en raison de leur capacité de gestion de puissance supérieure . Elles offrent cependant de meilleures performances que les antennes omnidirectionnelles.

Conclusion

Une antenne PCB est un composant essentiel des dispositifs de communication, permettant la captation, la transmission et la réception de signaux de fréquence . Cependant, il n'existe pas de spécifications spécifiques pour les antennes PCB, car celles-ci sont orientées selon un champ magnétique. Autrement dit, elles doivent être considérées dans le cadre d'une simulation plus large du dispositif lui-même.

Les circuits imprimés sont des composants essentiels d'une vaste gamme d'équipements électroniques, allant de l'électronique grand public haut de gamme aux systèmes de contrôle industriels . L'antenne du circuit imprimé est un élément important de la plupart d'entre eux. Elle constitue le principal point de communication entre le circuit imprimé et le monde extérieur.