Dans le monde interconnecté d'aujourd'hui, les appareils multifonctionnels comme les smartphones, les tablettes, les ordinateurs portables et les gadgets IoT exigent des antennes capables de fonctionner sur plusieurs bandes de fréquences pour permettre une connectivité sans faille sur 4G LTE, 5G NR, Wi‐Fi 6/6E, Bluetooth, GNSS et communication sur le terrain proche (NFC). La conception d'antennes bibandes et multibandes est devenue un défi d'ingénierie fondamental qui équilibre la performance, la taille, le coût et l'intégration.

Principes fondamentaux de l'opération d'antenne multi-bande

Une antenne à bande unique est optimisée pour une gamme de fréquences étroite, alors qu'une antenne à bande multiple présente des résonances multiples, chacune couvrant une bande distincte. Le défi principal est de s'assurer que l'antenne maintient une correspondance d'impédance, un gain et un profil de rayonnement adéquats pour toutes les bandes prévues sans compromis de performance inacceptable. L'exploitation à bande multiple repose généralement sur la création de chemins de courant multiples ou sur l'utilisation d'une charge réactive pour déplacer les fréquences de résonance.

Types d'antennes multi-bandes

Antennes à double bande

Les antennes à double bande couvrent deux gammes de fréquences distinctes, comme les bandes 2,4 GHz et 5 GHz utilisées pour les bandes Wi‐Fi ou LTE (p. ex. 700 MHz et 2,6 GHz). Les implémentations courantes comprennent l'antenne inversée-F (IFA) et l'antenne plane inversée-F (PIFA) avec un ou deux points d'alimentation et éléments parasites. Un PIFA à double bande peut réaliser deux résonances en modifiant la forme du patch radiant ou en ajoutant une structure à fentes. Par exemple, un emplacement en L sur le patch introduit un chemin de courant supplémentaire qui crée une seconde résonance.

Antennes tri-canaux et quadri-canaux

Ces conceptions étendent le concept à trois ou quatre bandes, souvent nécessaires pour les smartphones modernes qui doivent supporter les sous‐6 GHz LTE/5G, la double bande Wi‐Fi et le GNSS. Une technique courante est d'utiliser un monopole uniformisé combiné à plusieurs branches. Chaque branche est réglée à une bande de fréquences différente par sa longueur et sa largeur. Un seul flux peut aussi exciter plusieurs modes (p. ex., le mode fondamental, harmonique et slot) dans une structure radiante compacte.

Antennes reconfigurables

Les antennes reconfigurables peuvent changer dynamiquement d'une bande à l'autre en utilisant des composants électroniques tels que les diodes PIN, les varacteurs ou les commutateurs RF MEMS. En modifiant la longueur électrique ou la réactivité de chargement, l'antenne peut couvrir une large gamme de fréquences avec une configuration physique unique. Ceci est particulièrement utile pour les radios et appareils définis par logiciel qui doivent s'adapter à différentes attributions régionales de fréquences.

Antennes à large bande ou multi-bandes

Une antenne à large bande couvre une gamme continue de fréquences (p. ex., UB de 3,1 à 10,6 GHz), tandis qu'une antenne multibande ne couvre que des bandes discrètes spécifiques. Le choix dépend de l'application. Pour les combinés cellulaires qui doivent fonctionner sur de nombreuses bandes étroites (p. ex. 700 MHz, 850 MHz, 1,7 GHz, 1,9 GHz, 2,1 GHz, 2,6 GHz), une conception multibande est souvent plus pratique parce qu'elle peut éviter d'interférer avec des services non cellulaires et peut être réduite.

Principales considérations de conception

Bande passante

Chaque bande requise doit être couverte d'une bande de bande de fréquences (BW) suffisamment fractionnée pour permettre le spectre de signal, y compris les bandes de protection. Pour les LTE cellulaires, la bande de bande typique est de 10 à 20 MHz; pour les NR 5G, elle peut être de 100 MHz ou plus. Le facteur Q de l'antenne (facteur de qualité) détermine sa bande de bande intrinsèque.

Taille et facteur de forme

Les appareils modernes sont de plus en plus minces et compacts, laissant un volume très limité pour les antennes. Par exemple, une antenne smartphone typique peut occuper un volume de seulement 5-10 ml au bord supérieur ou inférieur. Les concepteurs doivent utiliser des antennes électriques de petite taille avec des substrats de permis élevés ou des matériaux magnéto-diélectriques pour réduire la taille.

Isolation et couplage mutuel

Dans les antennes multibandes, plusieurs éléments résonants ou plusieurs flux coexistent souvent à proximité étroite. Un couplage mutuel élevé peut dégrader les performances en changeant les fréquences de résonance, en réduisant le gain et en créant des changements de patron de rayonnement indésirables. Les techniques d'isolement comprennent l'utilisation de structures terrestres défectueuses (DGS), de surfaces de bandes électromagnétiques (EBG), de lignes de neutralisation ou de polarisation orthogonale. Par exemple, deux antennes fonctionnant à 2,4 GHz et 5 GHz peuvent être placées orthogonales pour minimiser le couplage.

Correspondance d'impédance

L'impédance d'entrée d'antenne doit correspondre à l'impédance du système (généralement 50 γ) sur toutes les bandes. On peut ajouter des réseaux de couplage utilisant des composants à bloc (condensateurs, inducteurs), mais ils introduisent des pertes et occupent la zone PCB. Une meilleure approche consiste à concevoir la géométrie de l'antenne elle-même pour assurer une bonne correspondance à toutes les fréquences prévues.

Schéma de rayonnement et efficacité

Pour les bandes cellulaires, la couverture omnidirectionnelle est privilégiée, tandis que pour le Wi-Fi, les bandes directionnelles peuvent améliorer la qualité des liaisons. Les antennes multibandes doivent maintenir un gain acceptable (généralement 0-3 dBi) et une efficacité supérieure à 50 % sur toutes les bandes. L'efficacité est dégradée par des pertes ohmiques dans le conducteur et le substrat de l'antenne, ainsi que par des composants voisins (batterie, affichage, boîtier métallique).

Techniques pour réaliser l'opération multi-bandes

Éléments de chargement et éléments parasites

Une technique simple consiste à ajouter un stub en circuit ouvert ou court au radiateur principal. Le stub crée une seconde résonance à une fréquence déterminée par sa longueur électrique. Par exemple, un stub en quart d'onde parallèle au monopole principal peut générer un encoche ou une bande additionnelle. Les éléments parasites (conducteurs non alimentés) couplés à l'élément actif peuvent aussi résonner aux fréquences souhaitées, agissant comme radiateurs passifs. Cette méthode est largement utilisée dans les conceptions PIFA pour ajouter une bande haute (Wi‐Fi 5 GHz) à une antenne à bande basse (LTE 700 MHz).

Dégustation et paresse

En ajoutant une branche meandred plus longue que la branche principale, on crée une seconde résonance inférieure. La fente, qui coupe des fentes ou des ouvertures étroites dans l'élément radiant ou le plan de sol, crée également des résonances supplémentaires. Une fente en U, par exemple, peut exciter un mode de plus haut ordre qui couvre une seconde bande. Ces techniques sont couramment utilisées dans les antennes monopoles imprimées pour les modules IoT.

Résonateurs couplés

Par exemple, un résonateur à anneaux couplé à un monopole fournit une bande supplémentaire. Dans les antennes à patch empilés, deux patchs de différentes tailles sont empilés verticalement avec un espaceur diélectrique. Chaque patch résonne à une fréquence différente, et le couplage mutuel fournit un seul flux. Cette approche fonctionne bien pour les antennes de station de base mais est trop épaisse pour la plupart des appareils portables.

Reconfiguration de fréquence à l'aide de commutateurs et de variateurs

Comme mentionné, les antennes reconfigurables utilisent des composants actifs pour modifier la résonance. Une diode PIN peut court-circuiter une partie de l'antenne, changeant sa longueur et donc sa bande de fonctionnement. Les diodes variatrices permettent un réglage continu en fonction de capacités variables. Cette technique peut couvrir une très large gamme de fréquences (p. ex. 700 MHz à 2,7 GHz) avec un seul élément compact.

Arrays d'antennes à entrées multiples/sorties multiples (MIMO)

Dans les systèmes MIMO 5G et Wi-Fi, plusieurs antennes sont utilisées pour améliorer les débits de données. Chaque élément d'antenne peut être conçu pour une bande spécifique ou peut être large. Pour les MIMO multibands, les antennes sont souvent placées orthogonalement ou espacées pour obtenir une faible corrélation. Elles peuvent utiliser la diversité de polarisation ou la diversité des motifs.

Défis et solutions pratiques

Intégration avec les boîtiers métalliques

Pour atténuer cette situation, les concepteurs utilisent des antennes à fentes découpées dans le châssis métallique, des alimentations de couplage capacitifs ou des garde-fous séparés. Par exemple, un téléphone à armature métallique peut utiliser le cadre métallique lui-même comme élément radiant avec de multiples fentes pour définir les chemins de courant. Cette approche peut atteindre une couverture multibande, mais nécessite une simulation électromagnétique prudente pour éviter les résonances qui dégradent les performances.

Conformité du taux d'absorption spécifique (SAR)

Les antennes multibandes doivent respecter les limites de SAR (p. ex. 1,6 W/kg aux États-Unis). Une efficacité plus élevée aux bandes inférieures correspond souvent à des SAR plus élevées. Les techniques de conception pour réduire la SAR comprennent l'ajout de matériaux de perte (inserts de réduction de SAR), l'utilisation de conceptions d'antennes qui éloignent directement l'utilisateur du rayonnement et fonctionnent à une puissance de sortie plus faible.

Interférences des composantes internes

Les batteries, les caméras, les haut-parleurs et les câbles d'affichage peuvent tous perturber la performance de l'antenne. La meilleure pratique est de placer les antennes dans des zones avec un métal minimal et d'utiliser des avions au sol comme boucliers.

Applications dans les appareils multifonctionnels

Smartphones et tablettes

Ces appareils doivent supporter un éventail de bandes encombrantes : plusieurs bandes cellulaires (2G/3G/4G/5G), deux bandes Wi‐Fi, Bluetooth, GNSS (GPS/GLONASS/BeiDou), et parfois NFC et UBB. Les téléphones phares modernes utilisent jusqu'à 10 à 12 antennes, dont plusieurs multibandes. Par exemple, l'antenne cellulaire principale peut couvrir 700–960 MHz, 1710–2170 MHz et 2500–2690 MHz en combinant un mode à l'emplacement du châssis et un monopole de branche. L'antenne Wi‐Fi/BT utilise souvent une antenne à double bande inversée avec une exploitation à deux bandes à 2,4 GHz et 5 GHz. La théorie détaillée sur les antennes à inversement F] fournit une base pour ces conceptions.

Dispositifs IdO

Les capteurs et modules IoT nécessitent des antennes compactes à faible coût pour des protocoles tels que LoRa (868/915 MHz), NB‐IoT (700–900 MHz), Zigbee (2,4 GHz) et Bluetooth. Les antennes multibandes permettent à un seul appareil de fonctionner dans des régions avec des attributions de fréquences différentes. Par exemple, une antenne à puce couvrant 868 MHz et 2,4 GHz permet à un compteur intelligent de communiquer avec une passerelle LoRa longue portée et un hub Zigbee local.

Portables

Les montres intelligentes et les bandes de fitness ont un espace extrêmement restreint (souvent inférieur à 1 cm3) et doivent supporter Bluetooth, GPS et parfois cellulaire. Une solution populaire est une antenne reconfigurable utilisant un varacteur qui peut basculer entre 1,5 GHz (GPS) et 2,4 GHz (Bluetooth) avec une simple tension de commande.

Applications automobiles

Véhicules Les antennes hôtes pour AM/FM, DAB, radio satellite, cellulaire, V2X et GNSS. Les boîtiers à nageoires de requin montés sur le toit contiennent souvent plusieurs antennes : une antenne cellulaire à quatre bandes (LTE/5G), une antenne Wi-Fi à double bande et un dispositif GPS. La conception de ces antennes multibandes nécessite un isolement et une configuration soignées pour éviter les interférences entre les services.

Tendances futures de la conception d'antennes multi-bandes

Optimisation de l'IA

En alimentant un réseau neuronal avec des résultats de simulation, les concepteurs peuvent rapidement trouver des configurations qui répondent à de multiples objectifs — largeur de bande, taille, efficacité, isolement — sans itération manuelle exhaustive. Ceci est particulièrement efficace pour des topologies complexes comme les antennes reconfigurables avec de nombreux commutateurs.

Métamatériaux et conducteurs magnétiques artificiels

Les antennes inspirées par le métamatériau, utilisant des résonateurs à anneaux fractionnés, des anneaux de fractionnement complémentaires ou des surfaces à haute impédance peuvent atteindre un comportement multibande avec des empreintes électriques de petite taille. Par exemple, une charge en métamatériau peut introduire une perméabilité négative qui crée une résonance supplémentaire sans augmenter la taille.Ces structures sont étudiées pour des bandes de 5G mmWave où les diélectriques conventionnels sont perdus.La recherche sur les antennes métamatériaux montre des promesses pour des conceptions multibandes compactes.

Systèmes d'antennes intégrales et intégrées

Les futurs appareils permettront la transmission et la réception simultanées sur la même fréquence (duplex plein bande), ce qui nécessite des antennes à forte isolation entre les ports de transmission et de réception, souvent supérieures à 80 dB. Des antennes multibandes à double polarisation ou intégration de circulateurs joueront un rôle. De plus, les antennes sont de plus en plus intégrées à l'écran (antennes claires) ou à la batterie pour économiser de l'espace.

5G mmMode de co-conception des ondes et sous-alpha-six GHz

Les appareils 5G doivent couvrir à la fois les sous‐6 GHz (FR1) et les mmWave (FR2, 24–40 GHz).L'antenne de Wave mm est généralement constituée de réseaux échelonnés avec des éléments patch, qui sont complètement différents des antennes de sous‐6 GHz. La co-implantation dans un petit appareil nécessite un positionnement attentif pour éviter les couplages.Des techniques comme l'utilisation de tableaux de Wave mm dans la lunette latérale du téléphone ou sur la couverture arrière émergent.L'antenne de sub‐6 GHz sert souvent de plan de base pour le tableau de Wave mm, créant un système multibande complexe.

La récolte d'énergie et les antennes autoalimentées

Les antennes multibandes peuvent également servir de collecteurs d'énergie, captant simultanément l'énergie RF de plusieurs bandes. Ceci est attrayant pour les appareils IoT de faible puissance. Des conceptions combinant antenne, redresseur et réseau de couplage pour 900 MHz et 2,4 GHz sont en cours de développement. L'antenne doit avoir une grande efficacité aux deux fréquences tout en présentant la bonne impédance au redresseur. Les rectennes multibandes ont démontré qu'elles ont été récoltées avec succès à partir de signaux Wi‐Fi ambiants et cellulaires.

Conclusion

La conception d'antennes bibandes et multibandes pour les appareils multifonctionnels est une discipline multiforme qui exige une compréhension approfondie de la théorie électromagnétique, de la science des matériaux et de l'intégration des systèmes. Alors que les appareils continuent de diminuer et d'ajouter des normes sans fil, la pression sur les ingénieurs d'antenne ne fera qu'augmenter. Heureusement, les progrès dans les outils de simulation, les composants reconfigurables et les réseaux d'appariement adaptatifs offrent des solutions puissantes.