Comment choisir son antenne IoT ?
Pour intégrer le NB-IoT, le fabricant français Adeunis est contraint de repenser le design des antennes de ses nouveaux produits. La raison : ce réseau IoT, tout comme la 5G, est multi-bandes, l'objet connecté doit donc pouvoir fonctionner sur une dizaine de bandes de fréquence. Or jusqu'à présent, Adeunis n'utilisait que les réseaux LoRaWAN et Sigfox, qui fonctionnent sur la seule bande de fréquence des 868 MHz. Ce challenge technique illustre une problématique désormais récurrente dans le monde de l'IoT, car "la tendance est à l'hybridation, pour qu'un objet puisse utiliser plusieurs réseaux", constate Josep Portabella, general manager for EMEA chez Fractus Antenna, fabricant espagnol d'antennes. D'autant que l'exportation des produits nécessite aussi de pouvoir prendre en compte différentes bandes de fréquence, celles-ci n'étant pas les mêmes pour un réseau selon les zones géographiques.
Le fabricant français Altyor considère l'antenne comme le premier élément auquel penser dans une nouvelle gamme d'objet connecté. "Un device sert à communiquer et l'antenne est l'outil qui le permet, c'est donc un maillon essentiel. L'antenne doit être le point de départ d'un projet, il ne faut pas y songer une fois que l'on a une carte électronique, sinon les performances seront décevantes", souligne Thierry Roy, architecte solutions clients. Mais ce composant peut avoir des caractéristiques variables et le choix d'une antenne peut relever du casse-tête. Pour déterminer quelle antenne intégrer, le premier élément à prendre en compte est l'usage. "L'usage a des conséquences sur la technologie et les performances voulues. S'il s'agit d'un objet qui sera proche du smartphone de l'utilisateur, le Bluetooth sera le plus adéquat et l'objet pourra être petit. Il y a plus de contraintes avec les réseaux de longue portée", poursuit-il.
Deuxième facteur de choix : la performance de l'antenne liée à sa taille. Selon la bande de fréquence, l'antenne et la carte électronique auront une taille plus ou moins grande : plus la fréquence est élevée, plus l'encombrement sera réduit. Pour les réseaux LPWAN, le produit mesure en général 5 à 10 centimètres de long. Un exemple avec le compteur de gaz communicant Gazpar, qui utilise la bande de fréquence de 169,4 MHz et qui mesure en conséquence 20 cm de long. "Une antenne équivaut généralement à une bande de fréquence. Quand on veut empiler les couches technologiques, il faut ajouter dans le device différentes antennes. Or dans l'IoT l'objectif est d'avoir des objets toujours plus petits", remarque Julien Sarrade, responsable développement commercial chez Keysight Technologies, entreprise d'équipement de mesure. "C'est la compacité de l'antenne qui nous intéresse", confirme de son côté Yann Guiomar, CEO de Sensing Labs, également fabricant français d'objets connectés.
Une nouvelle génération d'antenne à trois ports
Les fabricants ont le choix entre acheter des antennes correspondantes à leurs critères sur catalogue, ou les faire concevoir sur-mesure. La décision entre les deux solutions est souvent une question de coût et de volume. Une antenne sur catalogue "ne coûte rien, fait remarquer Laurent Gineste, CTO et cofondateur d'Exotic Systems, fabricant français. Il n'y a qu'à l'intégrer dans l'objet."
"Il faut veiller à ce qu'il n'y ait pas d'interférence et de divergence de comportement par rapport à ce qui était prévu"
Le sur-mesure nécessite pour le fabricant de sélectionner en premier lieu le matériau et le type de l'antenne, entre les antennes intégrées dans le PCB (une partie en matériau composite dans la carte électronique qui contient l'antenne), les antennes en céramique, les antennes filaires, etc. "Les antennes gravée sur le PCB ne coûtent rien mais nécessitent des frais de mise au point", détaille Thierry Roy chez Altyor. Adeunis, qui conçoit ses propres objets, a opté pour une antenne incrustée dans le PCB. Mais réaliser le design d'un produit radio n'est pas une mince affaire : "Pour gérer au mieux les différentes bandes de fréquence, nous avons créé un design d'antenne avec une géométrie complexe", raconte Jean-Luc Baudoin, directeur général délégué chez Adeunis.
Ensuite, le sur-mesure induit une série de tests pour vérifier la performance des antennes. Il faut faire à la fois des simulations numériques et des essais physiques dans une chambre anéchoïdale avec un analyseur de spectre afin de vérifier le comportement de l'antenne quand elle est entourée des autres composants du device. "Il faut veiller à ce qu'il n'y ait pas d'interférence et de divergence de comportement par rapport à ce qui était prévu", conseille Julien Sarrade. Pour Exotic Systems, qui a opté pour une licence de Keysight Technologies, les simulations représentent plusieurs dizaines de milliers d'euros d'investissement. Le design et les tests ont pris quelques mois à Adeunis avant que le nouvel objet connecté soit finalisé.
Pour combiner les avantages des deux options – sur catalogue ou sur-mesure – Fractus Antenna a lancé ce qu'elle appelle une antenne virtuelle, c'est-à-dire une antenne standardisée sur PCB dix fois plus petite que les anciennes générations qui inclut entre un et trois ports afin de permettre à l'objet de choisir entre trois réseaux pour communiquer en fonction des besoins. "Cela permet de réduire à la fois le temps de développement et les coûts de fabrication car cette antenne est un composant prête à l'emploi et réutilisable pour tous les produits", explique Josep Portabella, qui a détaillé les avantages de cette antenne lors d'un événement organisé par l'entreprise de semi-conducteurs ChipSelect. Des expérimentations ont été menées sur un objet avec du LoRa, du Wifi et du GPS, mais Josep Portabella assure que la configuration de trois bandes de fréquence est possible directement par ses clients parmi tous les réseaux. Pour les fabricants français interrogés, les antennes multi bandes offrent de belles perspectives. Reste à ces solutions de faire leurs preuves en termes de performance dans différents usages.