Exelonix

Lorsqu'il s'agit de concevoir des appareils IoT (Internet des objets) intelligents et de proposer un produit compact offrant des performances optimales en terme de signaux et d'autonomie, le choix et le positionnement des antennes sont des éléments essentiels qui doivent être pris en compte dès les premières étapes de conception. Exelonix, une entreprise allemande qui fournit des appareils IoT sans fil et des services logiciels à des clients B2B, en était à sa première itération de conception d'un nouvel appareil de suivi de flotte, mais s'est rapidement rendu compte lors des essais sur le terrain que les composants de radiofréquence (RF) ne fonctionnaient pas correctement. La conception initiale intégrait une antenne standard à faible coût qui affichait d'excellentes performances d'après les fiches techniques et les notes d'application. Cependant, lorsque l'appareil a été testé sur le terrain, les résultats ont montré une faible performance de transmission avec un rendement de seulement 7 % sur le réseau cellulaire et une antenne GNSS (Global Navigation Satellite System) peu performante. Il était évident que compenser ces faibles rendements par un amplificateur à faible bruit (LNA) ou une solution logicielle ne permettrait pas de pallier les limites physiques liées au choix et à l'emplacement initiaux de l'antenne. C'est alors qu'Exelonix a fait appel à TE Connectivity (TE) pour évaluer la cause profonde du problème et développer une solution d'antenne personnalisée.

TE a procédé à une analyse approfondie de la conception initiale d'Exelonix, qui utilisait trois antennes intégrées (cellulaire, GNSS et Bluetooth) sélectionnées en fonction des valeurs indiquées dans la fiche technique, de leur taille et de leur coût. L'équipe a mis en évidence un problème courant dans les appareils IoT, à savoir une taille insuffisante du plan de masse, qui nuit aux performances RF. La fiche technique exigeait un plan de masse de 130 mm x 60 mm pour offrir des performances supérieures à 50 % dans la bande basse et supérieures à 70 % dans la bande haute. Cependant, les exigences du projet spécifiaient une taille de plan de masse de 63 mm x 33 mm, ce qui se traduisait par un rendement inférieur à 10 % dans la bande basse et inférieur à 40 % dans la bande haute.   

« Si les fiches techniques indiquent souvent des performances idéales, dans la réalité, les antennes sont entourées d'autres composants et matériaux. La taille du plan de masse réel est souvent beaucoup plus petite que celle du plan de masse de référence. Le dispositif d'Exelonix nécessitait un plan de masse nettement plus grand pour offrir un meilleur rendement de l'énergie rayonnée dans l'air, au lieu d'être transformée en chaleur en raison d'un matériau à pertes », commente Christian Koehler, Chef de produit principal pour les antennes RF chez TE.

Une fois l'analyse terminée, l'équipe d'ingénieurs de TE a entamé le processus de conception du prototype et a d'abord tenté de modifier l'antenne existante (Fig. 1) ou d'identifier une antenne standard plus performante qui pourrait offrir un niveau similaire de rentabilité et de simplicité de production. Les résultats ont montré des performances GNSS insuffisantes ainsi que des performances cellulaires faibles dans les bandes basses.

L'équipe s'est alors orientée vers un concept d'antenne personnalisée (Fig. 2), intégrant les meilleurs procédés de l'industrie des smartphones et mettant l'accent sur l'amélioration de la bande passante et de l'efficacité en utilisant la troisième dimension. Au cours de la deuxième phase de prototypage, l'équipe a développé un bloc d'antenne en forme de « L » à l'aide de la technologie de structuration directe au laser (LDS). Ce bloc intégrait les antennes cellulaires et GNSS et offrait de meilleures performances avec une efficacité supérieure à 20 % dans le pire des cas, mais il ne permettait pas d'intégrer des antennes compatibles avec la technologie Bluetooth.

À partir de ce concept, l'équipe a développé un bloc d'antennes LDS en forme de « U » (Fig. 3) qui intégrait les antennes cellulaires, GNSS et compatibles avec les appareils Bluetooth, ce qui a permis d'améliorer encore les performances grâce à une plus grande distance par rapport au plan de masse et à l'isolation des antennes afin de minimiser le couplage et les interférences des signaux.

« Bien que nous étions satisfaits du deuxième concept, nous devions le tester dans un cas d'utilisation réel et évaluer la distance, la position et la hauteur sur la carte », explique Christian Koehler. Il poursuit : « Sous la carte de circuit imprimé se trouvait une batterie qui pouvait avoir un impact sur l'efficacité et la bande passante de l'antenne, nous avons donc dû augmenter la distance entre la batterie et la carte. De plus, il y avait un châssis métallique sous le dispositif de suivi. L'équipe a alors pris le châssis comme exemple de cas d'utilisation et a placé le dispositif de suivi à différents endroits sur la carte (Fig. 4). Nous avons également appliqué différentes hauteurs entre le dispositif et le plan de masse. L'impact sur les performances RF était incroyable. P2 et H1 représentaient les cas d'utilisation les plus difficiles, nous les avons donc pris comme référence pour concevoir l'antenne de manière appropriée. »

Après un processus intensif de tests d'utilisation, la conception finale choisie a été l'antenne en bloc en forme de U qui intègre une antenne cellulaire, une antenne compatible avec les appareils Bluetooth et une antenne GNSS avec une distance maximale par rapport au plan de masse. L'antenne cellulaire (Fig. 5) est fabriquée à l'aide de la technologie d'antenne MetaSpan de TE, qui offre un format plus compact et aide à prévenir le couplage avec les composants RF adjacents ou d'autres antennes. Des antennes planes inversées en F (PIFA) ont été utilisées pour assurer la compatibilité avec la technologie Bluetooth et les fonctions GNSS.

La conception répondait non seulement aux exigences strictes d'Exelonix, mais offrait également un assemblage facile et un haut degré d'uniformité pour la production en série. Les crochets situés au bas du bloc s'enclenchent facilement directement dans la carte de circuit imprimé et les extrémités de l'antenne se connectent à des clips à ressort, qui sont soudés à la surface de la carte. 

Grâce aux efforts conjoints de TE et d'Exelonix, la conception finale de l'antenne a atteint un format IoT de 90 x 58 x 15 mm avec un rendement supérieur à 30 %, dépassant ainsi la limite de certification de 20 %. Les faibles performances GNSS ont augmenté jusqu'à 99,9 % dans le scénario de suivi répété et le nombre de messages à transmettre avec la capacité de la batterie a été multiplié par près de 10.

« Nous nous efforçons toujours de dépasser les attentes en matière de délais de mise sur le marché et de satisfaction des utilisateurs finaux, non seulement avec les antennes, mais aussi avec les connecteurs, les capteurs et le blindage au niveau des cartes. C'est ce que les clients peuvent attendre de TE », explique Christian Koehler.