L’Internet des objets (IoT) a récemment influencé la vie et le travail de presque tout le monde. Pour certains, leur engagement dans l’IoT est aussi simple que l’utilisation d’une montre intelligente pour suivre leurs habitudes alimentaires ou sportives. Ils peuvent également profiter du compteur intelligent de la société de services publics pour économiser de l'énergie et contrôler leurs factures. Ces engagements soulignent l'importance de la sélection du sans fil et des antennes dans les applications IoT.

À l’autre extrême, il est devenu possible de tout connecter, y compris les appareils électroménagers, l’éclairage, le chauffage, les serrures et la sécurité des portes, ainsi que les panneaux solaires, contrôlés et gérés via un assistant numérique domestique.

En dehors des environnements domestiques, les cas d’utilisation industrielles et commerciales sont généralement plus diversifiés. Ceux-ci visent à automatiser les systèmes de construction pour améliorer l’efficacité et réduire l’empreinte carbone. Elles impliquent également de collecter de grandes quantités de données pour améliorer le contrôle des processus, la planification commerciale, la gestion des actifs, la maintenance des équipements, etc. Ces données contribuent à améliorer la gestion de l’énergie et des déchets et même à la conceptualisation et à la conception de nouveaux produits.

Derniers protocoles sans fil

Les technologies sans fil offrent plusieurs atouts inhérents pour connecter des appareils IoT. La flexibilité s'impose comme un avantage clé, permettant le déploiement d'appareils dans différents emplacements, sans contrainte de câblage physique. L'installation de nouveaux câbles à la maison, au bureau ou à l'usine peut être perturbatrice. La sélection du sans fil et de l'antenne est souvent rentable, en particulier pour les déploiements IoT à grande échelle, et permet une évolutivité facile et peu coûteuse.

La mobilité est un autre avantage, offrant un puissant facteur d’activation dans des applications telles que les appareils portables et le suivi des actifs. De plus, l’efficacité énergétique des technologies sans fil peut être importante dans les appareils IoT fonctionnant sur batterie.

Sélections sans fil

Les technologies sans fil standardisées couramment utilisées dans les applications IoT incluent le NFC, idéal pour les échanges de données de courte durée sur des distances de quelques centimètres. L'énergie contenue dans le champ RF émis par un lecteur NFC peut être suffisante pour alimenter les circuits du récepteur afin de récupérer et de transmettre les données mémorisées comme demandé.

La connectivité Bluetooth offre la mobilité et permet la flexibilité de concevoir le débit de données, la portée et la consommation d'énergie pour répondre aux exigences d'une application donnée. Il permet des connexions point à point et maillées et les dernières versions prennent également en charge la radiogoniométrie et la détection de localisation. Conçu dès l’origine pour les réseaux maillés, Zigbee présente des caractéristiques similaires.

Les utilisateurs peuvent préférer le Wi-Fi dans les cas où une portée plus longue, des débits de données plus élevés ou des capacités de connexion plus importantes sont nécessaires. Plusieurs générations de Wi-Fi restent en service, jusqu'au Wi-Fi 6, qui a un débit de données maximum théorique de 9.6 Gbps. Le Wi-Fi 6 propose également une allocation flexible des canaux et des techniques permettant de réduire les interférences et les temps d'attente pour se connecter au réseau. De plus, sa formation de faisceau peut améliorer l’efficacité de la transmission des données et renforcer la sécurité WPA3.

In Applications IoT qui nécessitent une plus longue portée et une plus grande mobilité, les choix incluent cellulaire et de faible consommation technologies de réseau étendu (LPWAN) telles que LoRa et Sigfox. À mesure que les réseaux existants s'éteignent, les anciennes connexions de données 2.5G et 3G cèdent la place à des normes telles que LTE-M et NB-IoT qui utilisent les derniers réseaux LTE et 5G. Ceux-ci sont optimisés pour répondre aux besoins des applications IoT, qui nécessitent généralement des échanges fréquents comprenant de petites quantités de données.

Les appareils tels que les trackers d'actifs peuvent s'appuyer sur des constellations de satellites de navigation (généralement appelées systèmes mondiaux de navigation par satellite, ou GNSS). Les exemples incluent GPS, Galileo, GLONASS et BeiDou. Les récepteurs multiconstellations peuvent bénéficier d’une disponibilité plus robuste des données de localisation.

Certains récepteurs peuvent offrir l'accès à des services spéciaux de haute précision fournis par les opérateurs de satellite. Un tracker peut calculer l'emplacement à l'aide du sous-système GNSS intégré et partager ces informations avec l'application IoT hôte via une connexion sans fil telle que LPWAN ou cellulaire.

Sélection sans fil et antenne

Essentiellement, une antenne transfère les signaux entre les domaines électromagnétique et électrique, en tirant parti de la résonance à la fréquence porteuse RF. Cela nécessite que la longueur effective de l'antenne soit une fraction spécifique de la longueur d'onde du signal porteur.

Par conséquent, la taille est importante lors de la sélection du réseau sans fil et de l’antenne. La taille est directement liée à la bande de fréquences sur laquelle l'antenne fonctionne. Cela dépend de la technologie sans fil choisie et de la fréquence de fonctionnement associée.

De plus, le conditionnement des antennes est un problème critique qui affecte la sélection des composants. Les appareils IoT peuvent être soumis à des limitations de taille strictes. Cela nécessite que les antennes soient petites tout en offrant des performances élevées. L'étanchéité est souvent requise, en particulier pour des éléments tels que les capteurs à distance et les compteurs intelligents, qui peuvent être exposés à des conditions difficiles et devraient rester en service pendant de longues périodes.

Une gamme offrant un choix d'antennes montées sur PCB, internes et externes, optimisées pour des bandes de fréquences spécifiques et des technologies sans fil souvent utilisées dans les applications IoT, peut aider les concepteurs à choisir le type le mieux adapté à leur application. Ces portefeuilles proposent différents types et tailles, des choix tels que des connexions soudées ou coaxiales, et des pièces optimisées pour des technologies spécifiques telles que les antennes NFC et GNSS.

Antennes NFC

Plusieurs facteurs influencent le choix du sans fil et de l'antenne pour les applications NFC. NFC fonctionne à 13.56 MHz, l'antenne doit donc être conçue pour résonner à cette fréquence spécifique afin d'assurer une communication optimale. Les antennes bobinées et les antennes-cadres sont couramment disponibles sous forme de composants disponibles dans le commerce.

Bien que la longueur effective de l'antenne soit liée à la fréquence de fonctionnement, les antennes NFC jouent également un rôle dans la récupération de l'énergie du champ RF émis par les appareils de lecture pour alimenter le microcontrôleur intégré de l'appareil IoT, la mémoire et le matériel supplémentaire pouvant inclure un circuit intégré de sécurité. pour recueillir et transmettre les données demandées par le lecteur.

La sélection finale peut dépendre de variables telles que le facteur de forme de l'appareil et la plage de lecture souhaitée. En règle générale, les antennes plus petites sont compactes mais offrent des portées de lecture plus courtes, tandis que les antennes plus grandes offrent des portées de lecture plus longues. L'espace disponible dans l'appareil ou l'application dictera la taille de l'antenne.

Généralement, certaines antennes NFC peuvent être plus sensibles à l'orientation que d'autres, ce qui peut nécessiter une attention particulière lors de la sélection d'un modèle spécifique et de la détermination de sa position optimale dans l'appareil. Il peut être intégré au circuit imprimé ou apposé sur le boîtier.

Les objets métalliques, les interférences électriques et d'autres facteurs environnementaux peuvent affecter les performances de l'antenne. Un blindage ou un placement approprié peut être nécessaire. Une bonne adaptation d'impédance entre la puce/le module NFC et l'antenne est essentielle pour maximiser le transfert de puissance et minimiser la perte de signal.

Antennes pour technologies couramment utilisées

Pour les technologies sans fil telles que Bluetooth et Wi-Fi fonctionnant à 2.4 GHz, ainsi que les technologies cellulaires et LPWAN, il existe une large sélection d'antennes internes et externes à montage sur PCB. Le choix dépend de facteurs tels que le format de l'appareil, les contraintes de taille et la plage de communication souhaitée.

Des antennes de la taille d'une puce sont disponibles pour les applications Bluetooth et Wi-Fi 2/3/4 dans les bandes de fréquences de 2.4 GHz pour les applications industrielles, scientifiques et médicales (appelées bandes ISM).

Les antennes externes ont tendance à être de conception monopôle ou dipolaire. Un type monopôle se compose d'un seul fil qui nécessite un plan de masse pour réfléchir les ondes radio et aider à façonner le diagramme de rayonnement. Le motif est omnidirectionnel.

Le type dipôle comporte deux éléments conducteurs séparés par un espace. Il s'agit souvent d'antennes demi-longueur d'onde, généralement plus longues qu'un monopôle, bien que le gain soit généralement plus important et que le diagramme de rayonnement soit bidirectionnel. Le gain de l'antenne affecte directement la portée et la couverture de l'appareil. Les antennes avec un gain plus élevé peuvent fournir une portée de communication plus longue.

Beaucoup optent pour la connectivité cellulaire pour les petits appareils comme les trackers montés sur des biens mobiles tels que des voitures, des camionnettes ou des véhicules de construction. Dans ces applications, une antenne interne peut être appropriée pour permettre une installation moins intrusive ou pour garder les pièces fragiles hors de danger. D'un autre côté, une antenne externe plus grande peut convenir à un appareil tel qu'une passerelle conçue pour diriger les données de plusieurs points de terminaison IoT vers le cloud via une connexion cellulaire.

Antennes GNSS

Les antennes GNSS sont disponibles dans différents styles, tels que les antennes patch en céramique. En tant que type, ils ont une polarisation circulaire qui garantit une haute sensibilité aux signaux satellite. Lors de la conception d'équipements tels que des dispositifs de suivi d'actifs avec localisation par satellite, les concepteurs doivent s'assurer que l'antenne choisie prend en charge les constellations pertinentes.

Conclusion

La taille et l'emballage sont des problèmes essentiels à prendre en compte lors du choix d'une antenne pour une application IoT. Les grandes antennes externes ont tendance à offrir les performances RF les plus favorables. D'un autre côté, le montage interne est souvent préféré pour résister aux défis environnementaux et permettre une utilisation et une portabilité plus faciles, tandis que les antennes à montage en surface peuvent offrir une solution lorsque les contraintes de taille sont extrêmes. Choice est l'ami du concepteur dans la recherche de la meilleure combinaison de propriétés électriques et physiques.

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• La source: https://www.iotforall.com/antenna-design-priorities-in-iot-applications