Antenne annulaire 2,4 GHz en champ proche pour un débit de données élevé et une transmission de données de haute sécurité à courte portée pour articulation rotative
RÉSUMÉ
De nos jours, les caméras de sécurité utilisent une bague collectrice pour l’alimentation et la liaison de données entre la caméra rotative et l’infrastructure de surveillance. Ce système présente toutefois des problèmes de fiabilité et de complexité d’installation. Pour remédier à ces problèmes, il est nécessaire d’utiliser une solution d’alimentation et de liaison de données sans contact. Si le couplage à induction pour la courte portée permet de répondre à la question de l’alimentation sans contact de la caméra, la liaison de données présente plusieurs défis. L’utilisation du protocole WiFi, avec un débit d’au moins 54 Mo/s, est proposée pour assurer une transmission fiable du flux vidéo haute résolution H.264. Cependant, pour que ce débit de données élevé soit atteint pendant la rotation de la caméra, le signal de réception de l’antenne de réception doit être suffisant pendant toute la rotation à 360 degrés. D’autre part, afin de garantir un niveau de sécurité élevé, la fuite de signal doit respecter une certaine limite pour éviter que la vidéo soit capturée par un appareil d’écoute électronique situé à proximité. Nous devons pour cela concevoir une antenne présentant un affaiblissement de réflexion réduit |S11|, un rapport de signal de réception élevé |S12| et un signal de fuite P_leak plus faible, des paramètres de conception d’antenne parfois contradictoires. Une antenne annulaire en champ proche de 2,4 GHz à polarisation circulaire a été développée à l’aide de l’outil de simulation électromagnétique Ansys HFSS. L’antenne proposée est composée d’un anneau de ligne de transmission microruban et d’une charge RF. Lorsque la ligne de transmission est terminée par une résistance RF de 50 ohms, l’antenne fonctionne comme une antenne à ondes progressive omnidirectionnelle polarisée circulairement. Dans le scénario le moins favorable, l’antenne proposée présente une bande passante d’impédance avec un affaiblissement de réflexion |S11| de -15 dB, un rapport d’intensité de signal de réception |S12| de -26 dB et un rapport de signal capturé P_tx de -56 dB couvrant la bande de fréquences de fonctionnement 2,4–2,49 GHz pendant toute la rotation pour phi = 0–180 degrés. Par rapport à l’antenne syntonisée classique qui présente une valeur |S11| de -8 dB, une valeur |S12| de -37 dB et un rapport de signal capturé P_tx de -35 dB dans le scénario le moins favorable, l’antenne proposée dispose d’un solide avantage avec des performances supérieures de 7 dB pour l’affaiblissement de réflexion, de 11 dB pour le signal de réception et de 21 dB pour la fuite de signal. Les résultats des mesures confirment également ces avantages. Cette antenne sera utilisée dans la caméra sans fil du client avec une alimentation sans contact, qui permettra une transmission et une réception efficaces du signal vidéo entre deux antennes. La sécurité des informations sera quant à elle garantie grâce à une très faible fuite de signal. Cela permettra ainsi d’obtenir une caméra de sécurité à la fois fiable et sûre.
ÉNONCÉ DU PROBLÈME
La conception d’une antenne de caméra sans fil utilisant une alimentation sans contact présente les défis suivants :
- L’espace est limité. La largeur de l’antenne ne doit pas dépasser 6 mm et celle-ci doit être placée à 4 mm au moins de la bobine d’induction utilisée pour l’alimentation sans contact.
- Puisque la caméra pivote sur l’axe pour surveiller l’environnement, la puissance reçue doit être constante lors de la rotation de l’antenne émettrice. Pour une antenne classique, il est difficile de répondre à cette exigence pour deux raisons :
- La puissance reçue est inversement proportionnelle au carré de la distance entre l’antenne émettrice (Tx) et l’antenne réceptrice (Rx).
- L’antenne Tx et l’antenne Rx sont polarisées linéairement et un défaut d’adaptation de polarisation se produit lorsque l’antenne Tx pivote.
3. Pour cette caméra de sécurité, le client exige que la puissance de fuite émise par l’antenne soit très faible afin d’empêcher toute interception du signal de communication par une antenne standard.
L’antenne conçue doit ainsi présenter une largeur réduite et la puissance de son champ électromagnétique doit être concentrée à proximité et répartie uniformément sur toute la longueur de l’antenne. En outre, l’antenne doit être polarisée circulairement afin d’éviter tout défaut d’adaptation de polarisation entre deux antennes de ce type pendant la rotation. Une antenne annulaire constituée d’une ligne microruban à plan de masse étroit et d’une résistance RF de 50 ohms a été développée à l’aide d’Ansys HFSS afin de répondre à ces exigences. Les résultats des mesures des prototypes d’antennes basés sur la simulation ont permis de vérifier que les exigences des clients sont satisfaites.
MÉTHODES ET RÉSULTATS
Construction d’un modèle de simulation dans Ansys HFSS et fabrication de prototypes
Le modèle de simulation de l’antenne a été conçu dans l’environnement Ansys HFSS. La géométrie de l’antenne proposée est présentée dans la Figure 1 (a) et (b). Le corps principal de l’antenne est une ligne microruban circulaire terminée par une résistance RF de 50 ohms. La ligne microruban comporte un conducteur de largeur w1 imprimé sur un côté d’un substrat FR4 peu coûteux d’épaisseur d = 0,762 mm et d’un autre conducteur de largeur w2 = 6 mm de l’autre côté du substrat. Les rayons intérieur et extérieur du substrat FR4 sont respectivement R1 = 50 mm et R2 = 60,5 mm. Le port d’excitation est appliqué à une extrémité de la ligne microruban comme source d’alimentation et son impédance est de 50 ohms. À l’autre extrémité de la ligne de transmission, une résistance d’excitation de 50 ohms est modélisée.
Figure 1. Géométrie de l’antenne proposée : (a) vue de dessus ; (b) vue en coupe.
La largeur de la trace de signal de la ligne microruban W1 proposée peut être déterminée à partir de la formule (1), et la valeur doit ensuite être optimisée par un logiciel de simulation électromagnétique. La Figure 2 présente le prototype de l’antenne proposée. Un câble rigide doté d’un connecteur SMA est connecté à une extrémité de la ligne microruban circulaire et une charge RF est connectée à l’autre extrémité.
Performances de l’antenne proposée
La Figure 3 présente le modèle de simulation simplifié de la caméra de sécurité avec alimentation sans contact et liaison de données dans HFSS. La caméra est située dans la partie inférieure qui pivote sur l’arbre métallique central. La partie supérieure est fixe et comprend l’alimentation et le centre de données d’images. Le transmetteur d’alimentation (PTx), composé du circuit de transmission de puissance et de la bobine PTx, et le récepteur WiFi, composé du circuit sans fil et de l’antenne Rx, se trouvent dans la partie supérieure, tandis que le récepteur d’alimentation (PRx) et l’émetteur WiFi sont situés dans la partie inférieure. Les bobines PTx et PRx de la structure sont utilisées pour l’alimentation sans contact. Les bobines doivent être placées dans le modèle de simulation, car elles ont une incidence sur les performances de l’antenne.
L’antenne a été étudiée et conçue par simulation à l’aide de HFSS afin d’éviter les pertes de temps et d’argent qu’impliqueraient de nombreux ajustements. Lorsque les performances de l’antenne sont satisfaisantes, des prototypes d’antenne sont réalisés pour vérifier les résultats de la simulation. Pour cette conception, deux prototypes ont été fabriqués et testés à l’aide de l’analyseur de réseau vectoriel Keysight E5071C et de la chambre anéchoïque SATIMO à 32 sondes.
Figure 3. Structure d’une caméra sans fil : (a) vue de face ; (b) vue de dessus (phi = 0 indique la position où les points d’alimentation de deux antennes se chevauchent en vue de dessus).
La Figure 4 présente la relation de distribution de puissance entre l’antenne et l’environnement, où P_tx est la puissance d’entrée dans l’antenne Tx, P_rx est la puissance reçue par l’antenne Rx, P_leak est la puissance de fuite vers l’environnement, P_capture est la puissance reçue par une antenne dipôle standard virtuelle à 30 cm de la caméra sans fil. Parmi ces paramètres, la relation entre P_capture et P_leak est
P_capture = P_leak + affaiblissement de propagation sur 30 cm (2)
Où
Figure 4. Relation de distribution de puissance entre l’antenne et l’environnement.
La Figure 5 présente les résultats de simulation et de mesure de l’affaiblissement de réflexion de l’antenne. On peut constater que la valeur de |S11| est meilleure sur la bande de fréquences de fonctionnement 2,4–2,49 GHz et constante aux angles de rotation phi = 0,90 et 180. Cela indique que l’antenne présente une bonne adaptation pendant toute la durée de la rotation.
Figure 5. Affaiblissement de réflexion de l’antenne proposée dans une caméra sans fil pendant la rotation.
La Figure 6 (a) présente la puissance reçue par l’antenne Rx, et la Figure 6 (b) la puissance captée par l’antenne dipôle standard à 30 cm de distance. On peut constater que la puissance la plus faible reçue par l’antenne Rx de l’antenne Tx est de -26 dB et que la puissance maximale captée par l’antenne standard virtuelle est de -56 dB dans le scénario le moins favorable. La puissance reçue est supérieure de 30 dB à celle captée par l’antenne standard virtuelle. De plus, P_rx présente une variation faible lorsque la partie inférieure de la caméra sans fil pivote sur l’axe. Si P_tx est réglé sur -35 dBm, alors P_rx > -60 dBm et P_capture < -91 dBm, et le système présentera une communication sans fil satisfaisante ainsi qu’une puissance de fuite très faible empêchant l’interception du signal.
Figure 6. (a) Puissance reçue par l’antenne proposée Tx normalisée par P_tx ; (b) Puissance captée par une antenne standard virtuelle normalisée par P_tx.
Comparaison avec une antenne classique
La plupart des antennes WiFi disponibles sur le marché pour ce type d’applications sont des antennes syntonisées classiques, telles que des antennes dipôles, des antennes en F inversé (IFA), des antennes planes en F inversé (PIFE), etc. Afin de prouver que l’antenne proposée est plus performante qu’une antenne classique, les antennes dipôles [2] présentées dans la Figure 7 avec une bande de fréquences de fonctionnement comprise entre 2,4 et 2,49 GHz sont utilisées à la place de l’antenne proposée dans le même modèle de caméra que dans la Figure 3, et les résultats de la simulation sont dérivés à des fins de comparaison (les caches supérieur et inférieur ne sont pas montrés dans le modèle).
Figure 7. Caméra sans fil utilisant deux antennes dipôles pour la communication (phi = 0 indique la position où les points d’alimentation de deux antennes se chevauchent en vue de dessus).
Les résultats de la simulation montrent que l’antenne dipôle n’est pas une antenne en champ proche, si bien que l’adaptation de l’impédance est insuffisante lorsqu’elle fonctionne en champ proche pendant la rotation, comme le montre la Figure 8. L’affaiblissement de réflexion varie de 3 dB pendant la rotation de phi = 0–180, ce qui rend difficile la connexion au circuit du récepteur WiFi pendant toute la durée de la rotation.
Figure 8. Affaiblissement de réflexion de l’antenne dipôle d’une caméra sans fil pendant la rotation.
La Figure 9 (a) montre que P_rx/P_tx varie considérablement à mesure que l’antenne Tx pivote. En particulier, lorsque phi passe de 0° à 180°, P_rx/P_tx diminue fortement, de -5 dB à -35 dB. Cela se produit pour les raisons suivantes :
- Lorsque l’antenne Tx pivote, l’affaiblissement de propagation entre les deux antennes varie considérablement à mesure que l’entraxe augmente.
- L’antenne dipôle est polarisée linéairement, et lorsque l’antenne Tx pivote, un défaut d’adaptation de polarisation important se produit.
La Figure 9 (b) montre que la puissance de fuite maximale captée rayonnée par le dipôle vers l’environnement atteint -35 dB, soit 21 dB de plus que l’antenne proposée. Cela est dû au fait que l’antenne dipôle classique est une antenne syntonisée en champ éloigné dont le rayonnement en champ lointain est intrinsèquement important. Les autres types d’antennes syntonisées à champ lointain sont donc également peu adaptés à une liaison de données haut débit à courte portée nécessitant une puissance captée faible pour des raisons de sécurité.
Figure 9. (a) Puissance reçue par l’antenne dipôle Tx normalisée par P_tx ; (b) Puissance de fuite captée par une antenne standard virtuelle normalisée par P_tx.
DISCUSSION ET POINTS CLÉS
Conclusions
Un prototype d’antenne annulaire en champ proche polarisée circulairement a été conçu à l’aide de l’outil de simulation Ansys HFSS, puis contrôlé. L’antenne est une ligne microruban circulaire terminée par une résistance RF de 50 ohms. L’antenne proposée offre une bonne adaptation d’impédance sur la bande de fréquences de fonctionnement 2,4–2,49 GHz. Les résultats de la simulation et des mesures montrent qu’elle peut fournir une bonne liaison de données et présente une faible puissance de fuite vers l’environnement. L’antenne proposée semble être une solution prometteuse pour les applications de liaison de données haut débit et haute sécurité à l’heure où les flux vidéo des caméras sont de plus en plus utilisés dans les domaines de la vidéosurveillance, de l’automatisation et de l’automobile.
De plus, s’agissant d’une antenne à ondes progressives, le champ électrique en champ proche et le champ magnétique sont répartis uniformément le long de la périphérie avec une polarisation circulaire en champ proche. Cela assure une liaison de données stable et constante pendant la rotation, ce qui en fait une alternative idéale aux bagues collectrices, avec une sécurité et une fiabilité élevées sur une très large bande de fréquences.
Études et travaux futurs
Une fois les performances de l’antenne déterminées à partir de la simulation et du test du prototype, un test actif avec le chipset WiFi et le module d’alimentation sans contact sur PCB est effectué pour valider les performances de l’antenne et du système.
Les antennes en champ proche sont largement utilisées dans les appareils électroménagers, dans l’industrie et dans d’autres domaines. L’antenne proposée est tout à fait adaptée aux appareils rotatifs utilisant l’alimentation sans contact. Les études et travaux futurs viseront à optimiser les performances de l’antenne et à concevoir un blindage pour le système afin de réduire davantage la puissance de fuite pour éviter l’interception du signal.
RÉFÉRENCES
[1] David M. Pozar, « Microwave Engineering, Fourth Edition », page 149, John Wiley & Sons, Inc.
[2] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, « Microstrip Antenna Design Handbook », page 399, Artech House
Antenne annulaire 2,4 GHz en champ proche pour un débit de données élevé et une transmission de données de haute sécurité à courte portée pour articulation rotative
RÉSUMÉ
De nos jours, les caméras de sécurité utilisent une bague collectrice pour l’alimentation et la liaison de données entre la caméra rotative et l’infrastructure de surveillance. Ce système présente toutefois des problèmes de fiabilité et de complexité d’installation. Pour remédier à ces problèmes, il est nécessaire d’utiliser une solution d’alimentation et de liaison de données sans contact. Si le couplage à induction pour la courte portée permet de répondre à la question de l’alimentation sans contact de la caméra, la liaison de données présente plusieurs défis. L’utilisation du protocole WiFi, avec un débit d’au moins 54 Mo/s, est proposée pour assurer une transmission fiable du flux vidéo haute résolution H.264. Cependant, pour que ce débit de données élevé soit atteint pendant la rotation de la caméra, le signal de réception de l’antenne de réception doit être suffisant pendant toute la rotation à 360 degrés. D’autre part, afin de garantir un niveau de sécurité élevé, la fuite de signal doit respecter une certaine limite pour éviter que la vidéo soit capturée par un appareil d’écoute électronique situé à proximité. Nous devons pour cela concevoir une antenne présentant un affaiblissement de réflexion réduit |S11|, un rapport de signal de réception élevé |S12| et un signal de fuite P_leak plus faible, des paramètres de conception d’antenne parfois contradictoires. Une antenne annulaire en champ proche de 2,4 GHz à polarisation circulaire a été développée à l’aide de l’outil de simulation électromagnétique Ansys HFSS. L’antenne proposée est composée d’un anneau de ligne de transmission microruban et d’une charge RF. Lorsque la ligne de transmission est terminée par une résistance RF de 50 ohms, l’antenne fonctionne comme une antenne à ondes progressive omnidirectionnelle polarisée circulairement. Dans le scénario le moins favorable, l’antenne proposée présente une bande passante d’impédance avec un affaiblissement de réflexion |S11| de -15 dB, un rapport d’intensité de signal de réception |S12| de -26 dB et un rapport de signal capturé P_tx de -56 dB couvrant la bande de fréquences de fonctionnement 2,4–2,49 GHz pendant toute la rotation pour phi = 0–180 degrés. Par rapport à l’antenne syntonisée classique qui présente une valeur |S11| de -8 dB, une valeur |S12| de -37 dB et un rapport de signal capturé P_tx de -35 dB dans le scénario le moins favorable, l’antenne proposée dispose d’un solide avantage avec des performances supérieures de 7 dB pour l’affaiblissement de réflexion, de 11 dB pour le signal de réception et de 21 dB pour la fuite de signal. Les résultats des mesures confirment également ces avantages. Cette antenne sera utilisée dans la caméra sans fil du client avec une alimentation sans contact, qui permettra une transmission et une réception efficaces du signal vidéo entre deux antennes. La sécurité des informations sera quant à elle garantie grâce à une très faible fuite de signal. Cela permettra ainsi d’obtenir une caméra de sécurité à la fois fiable et sûre.
ÉNONCÉ DU PROBLÈME
La conception d’une antenne de caméra sans fil utilisant une alimentation sans contact présente les défis suivants :
- L’espace est limité. La largeur de l’antenne ne doit pas dépasser 6 mm et celle-ci doit être placée à 4 mm au moins de la bobine d’induction utilisée pour l’alimentation sans contact.
- Puisque la caméra pivote sur l’axe pour surveiller l’environnement, la puissance reçue doit être constante lors de la rotation de l’antenne émettrice. Pour une antenne classique, il est difficile de répondre à cette exigence pour deux raisons :
- La puissance reçue est inversement proportionnelle au carré de la distance entre l’antenne émettrice (Tx) et l’antenne réceptrice (Rx).
- L’antenne Tx et l’antenne Rx sont polarisées linéairement et un défaut d’adaptation de polarisation se produit lorsque l’antenne Tx pivote.
3. Pour cette caméra de sécurité, le client exige que la puissance de fuite émise par l’antenne soit très faible afin d’empêcher toute interception du signal de communication par une antenne standard.
L’antenne conçue doit ainsi présenter une largeur réduite et la puissance de son champ électromagnétique doit être concentrée à proximité et répartie uniformément sur toute la longueur de l’antenne. En outre, l’antenne doit être polarisée circulairement afin d’éviter tout défaut d’adaptation de polarisation entre deux antennes de ce type pendant la rotation. Une antenne annulaire constituée d’une ligne microruban à plan de masse étroit et d’une résistance RF de 50 ohms a été développée à l’aide d’Ansys HFSS afin de répondre à ces exigences. Les résultats des mesures des prototypes d’antennes basés sur la simulation ont permis de vérifier que les exigences des clients sont satisfaites.
MÉTHODES ET RÉSULTATS
Construction d’un modèle de simulation dans Ansys HFSS et fabrication de prototypes
Le modèle de simulation de l’antenne a été conçu dans l’environnement Ansys HFSS. La géométrie de l’antenne proposée est présentée dans la Figure 1 (a) et (b). Le corps principal de l’antenne est une ligne microruban circulaire terminée par une résistance RF de 50 ohms. La ligne microruban comporte un conducteur de largeur w1 imprimé sur un côté d’un substrat FR4 peu coûteux d’épaisseur d = 0,762 mm et d’un autre conducteur de largeur w2 = 6 mm de l’autre côté du substrat. Les rayons intérieur et extérieur du substrat FR4 sont respectivement R1 = 50 mm et R2 = 60,5 mm. Le port d’excitation est appliqué à une extrémité de la ligne microruban comme source d’alimentation et son impédance est de 50 ohms. À l’autre extrémité de la ligne de transmission, une résistance d’excitation de 50 ohms est modélisée.
Figure 1. Géométrie de l’antenne proposée : (a) vue de dessus ; (b) vue en coupe.
La largeur de la trace de signal de la ligne microruban W1 proposée peut être déterminée à partir de la formule (1), et la valeur doit ensuite être optimisée par un logiciel de simulation électromagnétique. La Figure 2 présente le prototype de l’antenne proposée. Un câble rigide doté d’un connecteur SMA est connecté à une extrémité de la ligne microruban circulaire et une charge RF est connectée à l’autre extrémité.
Performances de l’antenne proposée
La Figure 3 présente le modèle de simulation simplifié de la caméra de sécurité avec alimentation sans contact et liaison de données dans HFSS. La caméra est située dans la partie inférieure qui pivote sur l’arbre métallique central. La partie supérieure est fixe et comprend l’alimentation et le centre de données d’images. Le transmetteur d’alimentation (PTx), composé du circuit de transmission de puissance et de la bobine PTx, et le récepteur WiFi, composé du circuit sans fil et de l’antenne Rx, se trouvent dans la partie supérieure, tandis que le récepteur d’alimentation (PRx) et l’émetteur WiFi sont situés dans la partie inférieure. Les bobines PTx et PRx de la structure sont utilisées pour l’alimentation sans contact. Les bobines doivent être placées dans le modèle de simulation, car elles ont une incidence sur les performances de l’antenne.
L’antenne a été étudiée et conçue par simulation à l’aide de HFSS afin d’éviter les pertes de temps et d’argent qu’impliqueraient de nombreux ajustements. Lorsque les performances de l’antenne sont satisfaisantes, des prototypes d’antenne sont réalisés pour vérifier les résultats de la simulation. Pour cette conception, deux prototypes ont été fabriqués et testés à l’aide de l’analyseur de réseau vectoriel Keysight E5071C et de la chambre anéchoïque SATIMO à 32 sondes.
Figure 3. Structure d’une caméra sans fil : (a) vue de face ; (b) vue de dessus (phi = 0 indique la position où les points d’alimentation de deux antennes se chevauchent en vue de dessus).
La Figure 4 présente la relation de distribution de puissance entre l’antenne et l’environnement, où P_tx est la puissance d’entrée dans l’antenne Tx, P_rx est la puissance reçue par l’antenne Rx, P_leak est la puissance de fuite vers l’environnement, P_capture est la puissance reçue par une antenne dipôle standard virtuelle à 30 cm de la caméra sans fil. Parmi ces paramètres, la relation entre P_capture et P_leak est
P_capture = P_leak + affaiblissement de propagation sur 30 cm (2)
Où
Figure 4. Relation de distribution de puissance entre l’antenne et l’environnement.
La Figure 5 présente les résultats de simulation et de mesure de l’affaiblissement de réflexion de l’antenne. On peut constater que la valeur de |S11| est meilleure sur la bande de fréquences de fonctionnement 2,4–2,49 GHz et constante aux angles de rotation phi = 0,90 et 180. Cela indique que l’antenne présente une bonne adaptation pendant toute la durée de la rotation.
Figure 5. Affaiblissement de réflexion de l’antenne proposée dans une caméra sans fil pendant la rotation.
La Figure 6 (a) présente la puissance reçue par l’antenne Rx, et la Figure 6 (b) la puissance captée par l’antenne dipôle standard à 30 cm de distance. On peut constater que la puissance la plus faible reçue par l’antenne Rx de l’antenne Tx est de -26 dB et que la puissance maximale captée par l’antenne standard virtuelle est de -56 dB dans le scénario le moins favorable. La puissance reçue est supérieure de 30 dB à celle captée par l’antenne standard virtuelle. De plus, P_rx présente une variation faible lorsque la partie inférieure de la caméra sans fil pivote sur l’axe. Si P_tx est réglé sur -35 dBm, alors P_rx > -60 dBm et P_capture < -91 dBm, et le système présentera une communication sans fil satisfaisante ainsi qu’une puissance de fuite très faible empêchant l’interception du signal.
Figure 6. (a) Puissance reçue par l’antenne proposée Tx normalisée par P_tx ; (b) Puissance captée par une antenne standard virtuelle normalisée par P_tx.
Comparaison avec une antenne classique
La plupart des antennes WiFi disponibles sur le marché pour ce type d’applications sont des antennes syntonisées classiques, telles que des antennes dipôles, des antennes en F inversé (IFA), des antennes planes en F inversé (PIFE), etc. Afin de prouver que l’antenne proposée est plus performante qu’une antenne classique, les antennes dipôles [2] présentées dans la Figure 7 avec une bande de fréquences de fonctionnement comprise entre 2,4 et 2,49 GHz sont utilisées à la place de l’antenne proposée dans le même modèle de caméra que dans la Figure 3, et les résultats de la simulation sont dérivés à des fins de comparaison (les caches supérieur et inférieur ne sont pas montrés dans le modèle).
Figure 7. Caméra sans fil utilisant deux antennes dipôles pour la communication (phi = 0 indique la position où les points d’alimentation de deux antennes se chevauchent en vue de dessus).
Les résultats de la simulation montrent que l’antenne dipôle n’est pas une antenne en champ proche, si bien que l’adaptation de l’impédance est insuffisante lorsqu’elle fonctionne en champ proche pendant la rotation, comme le montre la Figure 8. L’affaiblissement de réflexion varie de 3 dB pendant la rotation de phi = 0–180, ce qui rend difficile la connexion au circuit du récepteur WiFi pendant toute la durée de la rotation.
Figure 8. Affaiblissement de réflexion de l’antenne dipôle d’une caméra sans fil pendant la rotation.
La Figure 9 (a) montre que P_rx/P_tx varie considérablement à mesure que l’antenne Tx pivote. En particulier, lorsque phi passe de 0° à 180°, P_rx/P_tx diminue fortement, de -5 dB à -35 dB. Cela se produit pour les raisons suivantes :
- Lorsque l’antenne Tx pivote, l’affaiblissement de propagation entre les deux antennes varie considérablement à mesure que l’entraxe augmente.
- L’antenne dipôle est polarisée linéairement, et lorsque l’antenne Tx pivote, un défaut d’adaptation de polarisation important se produit.
La Figure 9 (b) montre que la puissance de fuite maximale captée rayonnée par le dipôle vers l’environnement atteint -35 dB, soit 21 dB de plus que l’antenne proposée. Cela est dû au fait que l’antenne dipôle classique est une antenne syntonisée en champ éloigné dont le rayonnement en champ lointain est intrinsèquement important. Les autres types d’antennes syntonisées à champ lointain sont donc également peu adaptés à une liaison de données haut débit à courte portée nécessitant une puissance captée faible pour des raisons de sécurité.
Figure 9. (a) Puissance reçue par l’antenne dipôle Tx normalisée par P_tx ; (b) Puissance de fuite captée par une antenne standard virtuelle normalisée par P_tx.
DISCUSSION ET POINTS CLÉS
Conclusions
Un prototype d’antenne annulaire en champ proche polarisée circulairement a été conçu à l’aide de l’outil de simulation Ansys HFSS, puis contrôlé. L’antenne est une ligne microruban circulaire terminée par une résistance RF de 50 ohms. L’antenne proposée offre une bonne adaptation d’impédance sur la bande de fréquences de fonctionnement 2,4–2,49 GHz. Les résultats de la simulation et des mesures montrent qu’elle peut fournir une bonne liaison de données et présente une faible puissance de fuite vers l’environnement. L’antenne proposée semble être une solution prometteuse pour les applications de liaison de données haut débit et haute sécurité à l’heure où les flux vidéo des caméras sont de plus en plus utilisés dans les domaines de la vidéosurveillance, de l’automatisation et de l’automobile.
De plus, s’agissant d’une antenne à ondes progressives, le champ électrique en champ proche et le champ magnétique sont répartis uniformément le long de la périphérie avec une polarisation circulaire en champ proche. Cela assure une liaison de données stable et constante pendant la rotation, ce qui en fait une alternative idéale aux bagues collectrices, avec une sécurité et une fiabilité élevées sur une très large bande de fréquences.
Études et travaux futurs
Une fois les performances de l’antenne déterminées à partir de la simulation et du test du prototype, un test actif avec le chipset WiFi et le module d’alimentation sans contact sur PCB est effectué pour valider les performances de l’antenne et du système.
Les antennes en champ proche sont largement utilisées dans les appareils électroménagers, dans l’industrie et dans d’autres domaines. L’antenne proposée est tout à fait adaptée aux appareils rotatifs utilisant l’alimentation sans contact. Les études et travaux futurs viseront à optimiser les performances de l’antenne et à concevoir un blindage pour le système afin de réduire davantage la puissance de fuite pour éviter l’interception du signal.
RÉFÉRENCES
[1] David M. Pozar, « Microwave Engineering, Fourth Edition », page 149, John Wiley & Sons, Inc.
[2] Ramesh Garg, Prakash Bhartia, Inder Bahl, Apisak Ittipiboon, « Microstrip Antenna Design Handbook », page 399, Artech House
