Quand préférer une antenne chip a une antenne PCB tracée ?

Une antenne chip (céramique LTCC, familles Johanson, Yageo, Murata, Pulse, Kyocera) se justifie quand la surface PCB est contrainte et quand on cherche a minimiser la sensibilité au boîtier. Elle arrive avec un design d'adaptation de reference et une empreinte de clearance de masse définie, ce qui raccourcit la boucle de mise au point. Une antenne PCB tracée (IFA, monopole, méandre) coute zéro au BOM et atteint une efficacité comparable, mais demande davantage de clearance, une campagne d'adaptation Smith plus rigoureuse et fige une portion non triviale du bord de carte. A 2,4 GHz BLE avec contrainte de surface, la chip est souvent le premier choix ; en sub-GHz LPWA, une IFA PCB ou un fouet externe reste fréquent car l'efficacité des chip antennas chute en basse fréquence.

Quel est le rôle de la topologie d'adaptation en pi ?

Le réseau pi est une topologie a trois éléments (shunt, serie, shunt) placée entre la sortie radio et le pied de l'antenne. On le prefere a un réseau L a deux éléments parce qu'il offre les degrés de liberté nécessaires pour déplacer l'impedance partout sur l'abaque de Smith et absorber le désaccord introduit par le boîtier, la batterie et les pièces métalliques voisines. En pratique deux des trois positions sont peuplées et la troisième est réservée pour l'ajustage mesure sur le produit assemble. Les composants utilises sont des condensateurs et inductances haute Q en boîtier 0402 ou 0201 qualifies a la fréquence de travail.

Pourquoi mesurer le return loss sur le produit assemble ?

L'antenne voit son environnement proche : plastique du boîtier, batterie, écran, cable USB, main de l'utilisateur. Chacun de ces éléments introduit une perturbation capacitive ou inductive qui decale la résonance et degrade le return loss. Un réseau ajuste sur PCB nu donne une mesure parfaite sur l'établi et echoue des que le produit est ferme. La bonne pratique est de mesurer S11 au pied de l'antenne dans la configuration mécanique finale, batterie, écran et cables en place, puis d'ajuster. Les chambres OTA CTIA vont plus loin et intègrent des fantômes main et tête pour capter une charge réaliste.

Quelle clearance de masse demande une antenne chip ?

La datasheet fournisseur precise toujours le keep-out et la zone de clearance de masse recommandes. La valeur dépend de la fréquence et de la famille mais une chip antenne 2,4 GHz typique demande un rectangle de l'ordre de 5 par 10 mm a 7 par 15 mm, place le long du grand cote du PCB, sans plan de masse, sans vias et sans piste de signal en-dessous. Le non-respect de cette clearance est la cause la plus frequente de perte d'efficacité catastrophique observée sur les premiers prototypes : l'antenne ne rayonne plus et se comporte comme un résonateur a Q eleve découplé de l'espace libre.

En quoi le choix d'une antenne GNSS differe-t-il du BLE ou du Wi-Fi ?

Le GNSS L1 a 1575 MHz et L5 a 1176 MHz utilise une polarisation circulaire droite et travaille a des niveaux de signal faibles (autour de moins 130 dBm a l'entrée du récepteur). Le choix dominant est un patch céramique sur un plan de masse, de l'ordre de 15 par 15 mm ou 25 par 25 mm selon les objectifs de sensibilité. Un amplificateur faible bruit (LNA) suit le pied du patch, precede ou suivi d'un filtre SAW selon le bilan de liaison et la rejection requise vis-a-vis des émetteurs cellulaires voisins. Les patchs actifs intègrent le LNA. Les patchs passifs demandent un LNA externe dans le front-end. Le plan de masse sous le patch doit être au moins aussi large que le patch, de préférence plus large, pour éviter la distorsion du diagramme.

Que mesure le test OTA CTIA ?

Le CTIA Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance mesure le Total Radiated Power (TRP) et la Total Isotropic Sensitivity (TIS) en chambre anechoique, le produit actif et en communication avec un émulateur de station de base. Le TRP integre la puissance rayonnée sur toute la sphère, ce qui capte l'efficacité d'antenne et les pertes de chaine. Le TIS integre la sensibilité de réception sur la sphère, ce qui capte le bruit propre et la désensibilisation par l'activité numérique. Le CTIA est la reference pour l'acceptance opérateurs US (AT and T, Verizon, T-Mobile) et est reprise par la 3GPP TS 38.521 pour la conformité RF cellulaire ainsi que par les programmes opérateurs mondiaux. Le PTCRB s'appuie sur les mêmes chambres.

Pourquoi un filtre SAW entre le LNA et le récepteur ?

Dans un produit multi-radio (GNSS plus cellulaire plus Wi-Fi plus BLE sur le même PCB), le LNA GNSS reçoit non seulement le signal utile mais aussi des émissions de forte puissance des radios voisines qui fuient par l'antenne et par le boîtier. Sans filtrage, le LNA sature et le récepteur GNSS perd des dizaines de dB de sensibilité. Un filtre SAW ou BAW rejette les signaux hors bande avant qu'ils n'atteignent le récepteur. L'ordre de placement (filtre avant LNA, ou LNA avant filtre) dépend du bilan de liaison : filtre-d'abord preserve la linéarité au prix du facteur de bruit, LNA-d'abord preserve la sensibilité au prix de la linéarité. Les deux topologies sont valides et se choisissent au cas par cas.

Quelles regles MIMO et diversité dans un boîtier compact ?

Pour le MIMO Wi-Fi et la diversité cellulaire, les deux antennes doivent être decorrelees. Les deux leviers principaux sont la séparation spatiale, idéale au moins quart d'onde (environ 30 mm a 2,4 GHz, 13 a 15 mm a 5 GHz), et la diversité de polarisation (une antenne en polarisation horizontale, une en polarisation verticale). L'Envelope Correlation Coefficient (ECC) est la figure de merite, avec une cible inférieure a 0,5 pour délivrer le gain MIMO. Dans un boîtier compact, atteindre cela est difficile et demande typiquement un placement soigneux aux coins opposes du PCB, avec mise en forme du plan de masse pour casser les courants en mode commun. Les designs de reference fournisseurs et la mesure de l'ECC en chambre anechoique constituent la voie pratique.

Antennes et adaptation d'impedance pour produits connectes

Auteur Hugues Orgitello Mis à jour le 11 juillet 2026 ~15 min de lecture

Guide, antennes et adaptation

L'intégration d'antenne est l'etage ou un produit connecte gagne ou perd son bilan de liaison radio. Une antenne mal choisie, une clearance de masse manquante, un réseau d'adaptation ajuste sur PCB nu plutôt que sur le produit assemble, ou un filtre SAW mal place se traduisent immédiatement par une perte mesurable de puissance rayonnée, une dégradation de la sensibilité de réception et une probabilité plus élevée d'échouer les campagnes de certification au titre de l'ETSI EN 300 328, du FCC Part 15, de la 3GPP TS 38.521 ou des plans OTA opérateurs. Cette page couvre la sélection des familles d'antennes (chip, PIFA, IFA, monopole, patch, hélice), les considérations spécifiques par bande du sub-GHz a l'UWB, la méthode d'adaptation sur analyseur de réseau vectoriel, les exigences de clearance de masse, les facteurs de désaccord apportes par le boîtier et l'utilisateur, le CTIA OTA test plan, les choix de front-end GNSS, le MIMO et la diversité dans un boîtier compact et les pieges récurrents observes a l'etage antenne.

Familles d'antennes et choix par cas

Le point de départ de toute intégration radio consiste a sélectionner une famille d'antenne adaptée a la bande, au volume disponible, a la cible BOM et au diagramme de rayonnement attendu. Les cinq familles ci-dessous couvrent la majorité des produits connectes.

Famille	Bandes typiques	Forces	Faiblesses
Chip antenna (céramique LTCC)	2,4 GHz, 5 GHz, sub-GHz, GNSS	Faible encombrement, design de reference fournisseur, clearance de masse définie, BOM faible	Efficacite inférieure a une PCB bien dessinée a même fréquence, sensible au placement
PIFA (Planar Inverted-F Antenna)	Cellulaire 700, 2700 MHz, multibande	Bande large, intégration au-dessus du plan de masse, volume modere	Demande de la 3D au-dessus du PCB, complexité mécanique
IFA (Inverted-F)	2,4 GHz, 5 GHz, sub-GHz	Gratuit au BOM (trace PCB), efficace si la clearance est respectée	Fige une portion de bord de carte, sensible a l'ajustage
Monopole (trace PCB ou fil)	Large gamme, sub-GHz a 6 GHz	Simple, diagramme omnidirectionnel, facile a dimensionner	Demande un plan de masse comme contrepoids, sensible a la polarisation
Patch (céramique, microstrip)	GNSS L1 et L5, UWB 6, 8 GHz, mmWave	Gain directionnel (3, 6 dBi), polarisation circulaire possible	Demande un plan de masse, surface plus grande, bande étroite
Helice (externe)	UHF cellulaire, GNSS, radio professionnelle	Robuste, gain eleve, variantes large bande	Externe, exposition mécanique, coût

Le premier tri se fait par fréquence et volume. Un wearable a 2,4 GHz sans antenne externe utilise presque toujours une chip antenna ou une IFA PCB. Un tracker IoT cellulaire couvrant 700 a 2700 MHz utilise typiquement une PIFA ou une chip multibande avec un réseau d'adaptation soigne. Un module GNSS embarque un patch céramique. L'UWB a 6, 8 GHz utilise soit une chip soit un patch sur mesure. Les trackers asset UHF utilisent couramment des hélices externes.

Les familles fournisseurs a évaluer en premier sont Johanson Technology (large catalogue 2,4 GHz et GNSS), Yageo (couverture large), Murata (céramiques LTCC et antenna-in-package), Pulse Electronics (PIFA cellulaires), Taoglas (multibande et antennes externes) et Kyocera AVX (chip et patchs céramiques). Chaque famille fournit des designs de reference, des réseaux d'adaptation recommandes, des empreintes de clearance de masse et des courbes OTA qui ancrent les décisions de début de design.

Bandes et bilans de liaison cibles

La bande de fréquence determine toutes les décisions aval : taille d'antenne, topologie d'adaptation, cadre réglementaire et plan de test.

Technologie	Bande	Longueur d'onde (espace libre)	Taille d'antenne typique
BLE, Wi-Fi 2,4 GHz	2400, 2483,5 MHz	125 mm	Chip 7, 15 mm ou IFA PCB 30, 40 mm
Wi-Fi 5 GHz	5150, 5875 MHz	55 mm	Chip 4, 8 mm ou IFA PCB 15, 25 mm
Wi-Fi 6 GHz	5925, 7125 MHz	47 mm	Chip ou IFA PCB, reuse bibande courant
LoRa, Sigfox sub-GHz	868 MHz (UE), 915 MHz (US, AU)	345, 327 mm	IFA PCB, monopole, fouet externe, chip moins efficace
NB-IoT, Cat-M cellulaire	700, 2700 MHz	428, 111 mm	PIFA multibande ou chip multibande avec adaptation par bande
GNSS L1	1575 MHz	190 mm	Patch céramique 15, 25 mm
GNSS L5	1176 MHz	255 mm	Patch céramique, plus grand que L1, souvent bibande L1, L5
UWB	6, 8,5 GHz	50, 35 mm	Chip ou patch

La bande Wi-Fi 6 GHz est régulée sous FCC U-NII-5 a U-NII-8 aux Etats-Unis et sous regles harmonisées UE via la RED et la EN 303 687. A 2,4 GHz, la EN 300 328 s'applique en UE et le FCC Part 15.247 aux Etats-Unis ; les bandes cellulaires suivent 3GPP TS 38.521 pour la NR et 3GPP TS 36.521 pour la LTE. La conformité a ces normes radio dépend matériellement de la performance d'antenne : les émissions spurious sont dominées par le rayonnement des harmoniques par l'antenne et la fuite d'énergie en bande adjacente est pilotée par le réseau d'adaptation.

Indicateurs d'antenne

Un jeu cohérent de figures de merite est nécessaire pour spécifier, qualifier et arbitrer les antennes.

Return loss (S11) : la fraction de puissance réfléchie depuis le pied de l'antenne. Une cible S11 inférieure a moins 10 dB sur toute la bande utile est standard, équivalente a un VSWR inférieur a 1,9:1. Un VSWR de 2:1 correspond a environ moins 9,5 dB. Une mesure de moins 6 dB fonctionne encore mais accepte 25 pour cent de perte par reflexion.
Efficacite : le rapport entre la puissance rayonnée et la puissance acceptée au pied, exprime en pour cent ou en dB. Les mesures en chambre anechoique (Satimo, NSI-MI MARS ou équivalent) sont la reference. Une efficacité de 60 a 70 pour cent est réaliste pour une chip antenna 2,4 GHz bien intégrée dans un boîtier compact ; en-dessous de 30 pour cent, le bilan de liaison s'effondre.
Gain : l'efficacité directionnelle, exprimée en dBi (décibels par rapport a l'isotrope). Une chip 2,4 GHz est typiquement entre 0 et 2 dBi en pic ; un patch GNSS est entre 3 et 5 dBi ; un patch UWB ou mmWave directionnel peut atteindre 6, 8 dBi.
Bande passante : la plage de fréquence sur laquelle S11 reste sous moins 10 dB. Une chip 2,4 GHz couvre typiquement 100 MHz ; une PIFA multibande couvre 700, 2700 MHz sur plusieurs résonances ajustées par le réseau d'adaptation.
Polarisation : linéaire (verticale ou horizontale) pour la plupart des antennes BLE, Wi-Fi et cellulaires ; circulaire droite pour le GNSS.
Diagramme de rayonnement : omnidirectionnel (monopole, IFA, chip) ou directionnel (patch, hélice, mmWave). Un wearable beneficie d'un diagramme omnidirectionnel ; un récepteur GNSS beneficie d'un diagramme hémisphérique oriente vers le ciel.

Methode de mise au point du réseau d'adaptation

Le réseau d'adaptation ramene l'impedance de l'antenne a la reference 50 ohms de la sortie radio. Sans adaptation, même une bonne antenne réfléchit une grande fraction de la puissance vers l'émetteur, consomme de la batterie et sature le front-end.

Topologies

Topologie	Composants	Cas d'usage
Reseau en L	2 composants (un serie, un shunt)	Antennes déjà proches de 50 ohms, bande étroite
Reseau en pi	3 composants (shunt, serie, shunt)	Antennes compactes avec désaccord notable, large plage d'ajustage, plus flexible
Reseau en T	3 composants (serie, shunt, serie)	Moins fréquent, principalement pour charges haute impedance
Shunt-serie-shunt	Equivalent au réseau en pi	Topologie de départ par défaut pour les chip antennas

La topologie de départ par défaut est le réseau en pi. Deux des trois positions sont peuplées par des condensateurs et inductances ; la troisième est réservée comme slot d'ajustage, peuplée uniquement apres mesure sur produit assemble. Les composants sont des condensateurs et inductances haute Q en boîtier 0402 ou 0201 (Murata GJM, GRM, LQW ; Coilcraft 0402DC, 0402CT) qualifies a la fréquence de travail, parce qu'a 2,4 GHz une inductance générique de 100 nH a sa fréquence de résonance propre bien en dessous de la bande et se comporte comme un condensateur.

Methode sur abaque de Smith

Souder un connecteur U.FL calibre au pied d'antenne du prototype, en remplaçant le coude de la trace si besoin.
Calibrer l'analyseur de réseau vectoriel (VNA) au bout du connecteur avec un kit open-short-load (OSL).
Connecter l'antenne dans son environnement mécanique final (PCB assemble, boîtier ferme, batterie presente, cables routes).
Mesurer S11 sur la bande d'interet. Lire l'impedance complexe au centre de bande sur l'abaque.
Identifier l'offset d'impedance par rapport au centre 50 ohms. L'abaque mappe directement aux éléments d'adaptation a utiliser.
Peupler le réseau avec les valeurs calculées, puis iterer. Une campagne typique converge en deux a quatre iterations.
Valider en température si besoin et sur une population d'unités si la tolérance d'adaptation est serree.

La même méthode est documentée dans les notes d'application fournisseurs (Johanson, Murata, Pulse). Les logiciels Smith chart (smith-chart.org, AWR Microwave Office, Keysight ADS) accélèrent le calcul.

Plan de masse et clearance

Le plan de masse est le contrepoids rayonnant de toute antenne imprimée ou chip. Sans plan de masse suffisant, l'antenne ne rayonne pas a la fréquence prévue : elle voit un contrepoids haute impedance et soit echoue a résonner, soit rayonne dans un diagramme distordu.

Regles pour les chip antennas

Placer l'antenne le long du grand cote du PCB, ideallement dans un coin, avec l'empreinte de clearance qui sort du plan de masse.
Respecter la zone de keep-out fournisseur, typiquement 5 par 10 mm a 7 par 15 mm a 2,4 GHz, sans plan de masse, sans vias, sans piste de signal en-dessous.
Fournir une zone de plan de masse d'au moins un quart d'onde sur le cote adjacent au pied d'antenne. A 2,4 GHz cela fait 30 mm ; en sub-GHz 868 MHz, cela fait 86 mm, ce qui explique l'inefficacité des chip antennas sub-GHz sur petites cartes.
Eviter de placer la chip au centre du PCB, entourée de cuivre. C'est une erreur frequente sur les premiers prototypes qui produit un résonateur a Q eleve non rayonnant.

Regles pour IFA PCB et monopole

La longueur totale de la trace imprimée fixe la fréquence de résonance, avec un quart d'onde comme point de départ.
L'extension du plan de masse le long de la trace agit comme contrepoids.
Un réseau d'adaptation au pied compense la tolérance sur la constante diélectrique PCB et les dimensions de trace.

Regles pour les patchs GNSS

Le patch céramique repose sur la face supérieure du PCB.
Le plan de masse sous le patch doit être au moins aussi grand que le patch, de préférence 1,5 a 2 fois plus grand.
Aucun plan de masse partiel ni composant actif sur la face supérieure dans l'empreinte du patch.
Le LNA est place aussi pres que possible du pied du patch pour préserver le facteur de bruit.

Facteurs de désaccord et réalité du produit assemble

La mesure sur l'établi en PCB nu n'est qu'une indication precoce. La vraie performance radio est déterminée par le produit assemble.

Source de désaccord	Mecanisme	Mitigation
Boitier plastique	Chargement diélectrique, decale la résonance vers le bas de 50, 200 MHz a 2,4 GHz	Ajuster sur boîtier ferme
Pieces métalliques (batterie, écran, blindage USB)	Courants miroirs, distorsion du diagramme, perte d'efficacité	Reserver une clearance, valider sur produit assemble
Effet main (chargement capacitif)	La prise en main fait chuter l'efficacité de 3, 10 dB	Mesurer avec fantôme de main (CTIA), concevoir pour la prise la plus défavorable
Cable USB en fonctionnement	Le cable agit comme radiateur parasite, distord le diagramme	Tester avec et sans cable, ferrite si nécessaire
Oscillateur a quartz ou DC-DC voisin	Bruit conduit dans le pied d'antenne	Filtrage sur la ligne antenne, découplage sur l'alimentation RF, séparation de routage
Decharge ESD sur le pied d'antenne	Detruit le LNA front-end ou les composants du réseau	TVS ou éclateur sur la ligne antenne

La regle opérationnelle est constante : la campagne d'antenne se termine quand le produit est mesure assemble, batterie en place, cables connectes, dans la posture utilisateur la plus défavorable, et que la performance OTA satisfait l'objectif de bilan de liaison.

Mesure OTA : TRP, TIS et CTIA Test Plan

La performance d'antenne sur un produit connecte se qualifie de bout en bout via la mesure Over-The-Air (OTA) en chambre anechoique.

Total Radiated Power (TRP)

Le TRP est l'intégrale de la puissance rayonnée sur la sphère entière autour du produit, mesurée avec l'appareil émetteur a pleine puissance et l'antenne tournée en azimut et en elevation. Il capte a la fois l'efficacité d'antenne et les pertes de chaine entre la sortie radio et le pied (adaptation, cable, connecteur). Pour le Wi-Fi 2,4 GHz, une cible réaliste dans un boîtier IoT compact est de 13, 18 dBm TRP au centre de bande, contre une sortie radio de 18, 20 dBm ; le delta represente le budget de perte de chaine.

Total Isotropic Sensitivity (TIS)

Le TIS est l'intégrale de la sensibilité de réception sur la sphère, mesurée en réduisant le signal de la station de base jusqu'a ce que l'appareil perde des paquets a un taux d'erreur defini. Il capte l'efficacité d'antenne en réception mais aussi le bruit propre genere par l'activité numérique du produit : un DC-DC switching pres du front-end récepteur peut dégrader le TIS de 5, 10 dB même avec une bonne antenne.

CTIA Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance

Le CTIA Test Plan définit la méthodologie de mesure TRP et TIS, avec les exigences de chambre anechoique, les procédures de calibration et les protocoles fantômes tête et main. La version 3.x est la reference courante en 2024. Il est utilise par les programmes d'acceptance opérateurs US (AT and T, Verizon, T-Mobile) et largement aligne avec les programmes OTA opérateurs mondiaux. Les tests OTA PTCRB pour les dispositifs cellulaires reposent sur les mêmes chambres et procédures. Pour les programmes opérateurs spécifiques voir AT and T NAF IoT cellulaire, Verizon Open Development et T-Mobile IoT lab.

3GPP TS 38.521 pour la RF cellulaire

Pour les appareils cellulaires NR (5G), la 3GPP TS 38.521 specifie les tests de conformité de transmission et réception radio, y compris la performance OTA pour FR1 et FR2 (mmWave). Pour les appareils LTE, la 3GPP TS 36.521 est l'équivalent. Ces tests sont conduits par des laboratoires reconnus PTCRB et alimentent la certification module PTCRB pour l'acceptance opérateurs nord-americains.

Conception du front-end GNSS

Les antennes GNSS ont des exigences spécifiques qui different du reste de la chaine radio.

Patchs passifs et actifs

Un patch passif est un résonateur céramique avec une broche de pied et aucune électronique intégrée. Il est suivi dans le front-end PCB d'un LNA externe et, selon le bilan de liaison, d'un filtre SAW.

Un patch actif integre le LNA directement sous l'élément céramique. Il est alimente via un bias-tee sur le cable coaxial RF. Les patchs actifs simplifient le routage PCB et réduisent le facteur de bruit mais coûtent plus cher et demandent un filtrage soigne de l'alimentation DC pour éviter d'injecter du bruit.

Ordre LNA et filtre SAW

Les deux topologies valides, toutes deux utilisées dans des designs commerciaux, different sur le compromis facteur de bruit, linéarité.

Topologie	Ordre	Compromis
LNA en premier	Patch, LNA, SAW, récepteur	Meilleur facteur de bruit, moindre perte de sensibilité, mais le LNA peut saturer sur les émetteurs cellulaires voisins
SAW en premier	Patch, SAW, LNA, récepteur	Meilleure linéarité et rejection, mais facteur de bruit plus eleve a cause de l'insertion loss du filtre

Un produit multi-radio (GNSS plus LTE plus Wi-Fi plus BLE sur une carte) utilise typiquement SAW-d'abord pour protéger le LNA des bandes cellulaires fortes a 700, 900, 1800 et 2100 MHz. Un produit GNSS seul peut utiliser LNA-d'abord pour le gain de facteur de bruit. La décision est documentée dans le bilan de liaison.

Plan de masse et placement

Le patch et son plan de masse sont en face supérieure du PCB, le patch oriente vers le ciel dans la position mécanique finale. Les composants actifs en face supérieure du PCB dans l'empreinte du patch distordent le diagramme. Le LNA est place a quelques millimetres du pied du patch.

MIMO et diversité dans un boîtier compact

Le MIMO Wi-Fi (2x2 ou plus) et la diversité cellulaire demandent deux antennes ou plus qui soient decorrelees.

Leviers de decorrelation

Separation spatiale : au moins un quart d'onde entre les centres de phase. A 2,4 GHz cela fait 30 mm, a 5 GHz 13 a 15 mm, en sub-GHz cela est irréaliste sur un petit produit.
Diversite de polarisation : une antenne en polarisation verticale, une horizontale. Un layout fréquent place deux IFA PCB orthogonales aux coins opposes.
Diversite de diagramme : chaque antenne orientée pour couvrir une partie différente de la sphère.
Mise en forme du plan de masse : fentes et entailles pour casser les courants en mode commun qui sinon couplent les deux antennes par le plan de masse.

Envelope Correlation Coefficient (ECC)

L'ECC est la figure de merite de la diversité MIMO, avec une cible inférieure a 0,5 pour délivrer le gain MIMO. Il se derive des diagrammes 3D des deux antennes mesures en chambre anechoique et figure dans le rapport OTA. Au-dela d'un ECC de 0,7, la seconde antenne n'apporte aucun bénéfice MIMO et le produit fonctionne en pratique en SISO avec un coût supplementaire.

Filtres : diplexeurs, duplexeurs, SAW et BAW

Les produits multi-radio utilisent des filtres pour partager les antennes, rejeter les émissions hors bande et protéger les recepteurs.

Type de filtre	Fonction
Diplexeur	Combine deux bandes non chevauchantes sur une seule antenne (par exemple BLE 2,4 GHz plus Wi-Fi 5 GHz)
Duplexeur	Separe émission et réception sur une seule antenne en cellulaire FDD, avec haute isolation
Filtre SAW (Surface Acoustic Wave)	Rejection bande étroite, faible insertion loss, utilise jusqu'a 3 GHz
Filtre BAW (Bulk Acoustic Wave)	Rejection haute fréquence, derive en température plus faible, utilise au-dela de 3 GHz et pour les front-ends cellulaires haute puissance

Les exigences d'émissions hors bande au titre de l'EN 300 328, du FCC Part 15 et de la 3GPP TS 38.521 sont typiquement le moteur du choix de filtre. Sans filtrage approprie, les émissions harmoniques d'un émetteur 2,4 GHz contaminent les bandes 5 GHz et 6 GHz et le produit echoue a la conformité radio.

Pieges récurrents

Piege	Consequence
Adaptation ajustée sur PCB nu sans boîtier	Efficacite réelle 5, 15 dB en-dessous de la mesure d'établi, échec OTA
Clearance de masse violée par cuivre ou vias	Perte d'efficacité catastrophique, antenne en résonateur non rayonnant
Chip antenna placée au centre du PCB	Entouree de plan de masse, pas de rayonnement, bilan de liaison effondre
LNA GNSS avant SAW saturant sur le cellulaire	Sensibilite dégradée de 10, 20 dB, temps de fix inacceptable sur le terrain
Inductances génériques 0603 dans le réseau d'adaptation	Resonance propre sous la bande, comportement imprévisible du réseau
Effet main ignore	Efficacite terrain 6, 10 dB sous le résultat chambre, ruptures d'appel
Protection ESD absente sur le pied d'antenne	LNA détruit au premier choc électrostatique, taux de retour qui explose
Pas d'entrée de domaine réglementaire pour le marche cible	L'antenne peut rayonner hors bande, type approval refuse

Pour aller plus loin

Qualification Bluetooth SIG: qualification RF + protocole de la radio BLE derrière l'antenne
Certification UWB FiRa consortium: intégration radio UWB et précision de ranging a 6, 8 GHz
Certification Wi-Fi Alliance: interopérabilité Wi-Fi sur 2,4, 5, 6 GHz
Certification module PTCRB: programme RF et OTA cellulaire pour les opérateurs nord-americains
Glossaire: définitions de S11, VSWR, TRP, TIS, ECC, SAW, BAW, PIFA, IFA

Voir aussi

Sources & références

CTIA Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance , CTIA Certification www.ctia.org/about-ctia/programs/certification/test-plans
3GPP TS 38.521, NR User Equipment conformance specification, Radio transmission and réception , 3GPP www.3gpp.org/dynareport/38521-1.htm
ETSI EN 300 328, Wideband transmission systems in the 2,4 GHz band , ETSI www.etsi.org/deliver/etsi_en/300300_300399/300328/
ETSI EN 303 413, GNSS receivers operating in radio determination service , ETSI www.etsi.org/deliver/etsi_en/303400_303499/303413/
Johanson Technology, notes d'application et designs de reference chip antennas , Johanson Technology www.johansontechnology.com/antennas
PTCRB OTA test requirements for cellular devices , PTCRB www.ptcrb.com/

Questions fréquentes

Quand préférer une antenne chip a une antenne PCB tracée ?: Une antenne chip (céramique LTCC, familles Johanson, Yageo, Murata, Pulse, Kyocera) se justifie quand la surface PCB est contrainte et quand on cherche a minimiser la sensibilité au boîtier. Elle arrive avec un design d'adaptation de reference et une empreinte de clearance de masse définie, ce qui raccourcit la boucle de mise au point. Une antenne PCB tracée (IFA, monopole, méandre) coute zéro au BOM et atteint une efficacité comparable, mais demande davantage de clearance, une campagne d'adaptation Smith plus rigoureuse et fige une portion non triviale du bord de carte. A 2,4 GHz BLE avec contrainte de surface, la chip est souvent le premier choix ; en sub-GHz LPWA, une IFA PCB ou un fouet externe reste fréquent car l'efficacité des chip antennas chute en basse fréquence.
Quel est le rôle de la topologie d'adaptation en pi ?: Le réseau pi est une topologie a trois éléments (shunt, serie, shunt) placée entre la sortie radio et le pied de l'antenne. On le prefere a un réseau L a deux éléments parce qu'il offre les degrés de liberté nécessaires pour déplacer l'impedance partout sur l'abaque de Smith et absorber le désaccord introduit par le boîtier, la batterie et les pièces métalliques voisines. En pratique deux des trois positions sont peuplées et la troisième est réservée pour l'ajustage mesure sur le produit assemble. Les composants utilises sont des condensateurs et inductances haute Q en boîtier 0402 ou 0201 qualifies a la fréquence de travail.
Pourquoi mesurer le return loss sur le produit assemble ?: L'antenne voit son environnement proche : plastique du boîtier, batterie, écran, cable USB, main de l'utilisateur. Chacun de ces éléments introduit une perturbation capacitive ou inductive qui decale la résonance et degrade le return loss. Un réseau ajuste sur PCB nu donne une mesure parfaite sur l'établi et echoue des que le produit est ferme. La bonne pratique est de mesurer S11 au pied de l'antenne dans la configuration mécanique finale, batterie, écran et cables en place, puis d'ajuster. Les chambres OTA CTIA vont plus loin et intègrent des fantômes main et tête pour capter une charge réaliste.
Quelle clearance de masse demande une antenne chip ?: La datasheet fournisseur precise toujours le keep-out et la zone de clearance de masse recommandes. La valeur dépend de la fréquence et de la famille mais une chip antenne 2,4 GHz typique demande un rectangle de l'ordre de 5 par 10 mm a 7 par 15 mm, place le long du grand cote du PCB, sans plan de masse, sans vias et sans piste de signal en-dessous. Le non-respect de cette clearance est la cause la plus frequente de perte d'efficacité catastrophique observée sur les premiers prototypes : l'antenne ne rayonne plus et se comporte comme un résonateur a Q eleve découplé de l'espace libre.
En quoi le choix d'une antenne GNSS differe-t-il du BLE ou du Wi-Fi ?: Le GNSS L1 a 1575 MHz et L5 a 1176 MHz utilise une polarisation circulaire droite et travaille a des niveaux de signal faibles (autour de moins 130 dBm a l'entrée du récepteur). Le choix dominant est un patch céramique sur un plan de masse, de l'ordre de 15 par 15 mm ou 25 par 25 mm selon les objectifs de sensibilité. Un amplificateur faible bruit (LNA) suit le pied du patch, precede ou suivi d'un filtre SAW selon le bilan de liaison et la rejection requise vis-a-vis des émetteurs cellulaires voisins. Les patchs actifs intègrent le LNA. Les patchs passifs demandent un LNA externe dans le front-end. Le plan de masse sous le patch doit être au moins aussi large que le patch, de préférence plus large, pour éviter la distorsion du diagramme.
Que mesure le test OTA CTIA ?: Le CTIA Test Plan for Wireless Device Over-the-Air Performance mesure le Total Radiated Power (TRP) et la Total Isotropic Sensitivity (TIS) en chambre anechoique, le produit actif et en communication avec un émulateur de station de base. Le TRP integre la puissance rayonnée sur toute la sphère, ce qui capte l'efficacité d'antenne et les pertes de chaine. Le TIS integre la sensibilité de réception sur la sphère, ce qui capte le bruit propre et la désensibilisation par l'activité numérique. Le CTIA est la reference pour l'acceptance opérateurs US (AT and T, Verizon, T-Mobile) et est reprise par la 3GPP TS 38.521 pour la conformité RF cellulaire ainsi que par les programmes opérateurs mondiaux. Le PTCRB s'appuie sur les mêmes chambres.
Pourquoi un filtre SAW entre le LNA et le récepteur ?: Dans un produit multi-radio (GNSS plus cellulaire plus Wi-Fi plus BLE sur le même PCB), le LNA GNSS reçoit non seulement le signal utile mais aussi des émissions de forte puissance des radios voisines qui fuient par l'antenne et par le boîtier. Sans filtrage, le LNA sature et le récepteur GNSS perd des dizaines de dB de sensibilité. Un filtre SAW ou BAW rejette les signaux hors bande avant qu'ils n'atteignent le récepteur. L'ordre de placement (filtre avant LNA, ou LNA avant filtre) dépend du bilan de liaison : filtre-d'abord preserve la linéarité au prix du facteur de bruit, LNA-d'abord preserve la sensibilité au prix de la linéarité. Les deux topologies sont valides et se choisissent au cas par cas.
Quelles regles MIMO et diversité dans un boîtier compact ?: Pour le MIMO Wi-Fi et la diversité cellulaire, les deux antennes doivent être decorrelees. Les deux leviers principaux sont la séparation spatiale, idéale au moins quart d'onde (environ 30 mm a 2,4 GHz, 13 a 15 mm a 5 GHz), et la diversité de polarisation (une antenne en polarisation horizontale, une en polarisation verticale). L'Envelope Correlation Coefficient (ECC) est la figure de merite, avec une cible inférieure a 0,5 pour délivrer le gain MIMO. Dans un boîtier compact, atteindre cela est difficile et demande typiquement un placement soigneux aux coins opposes du PCB, avec mise en forme du plan de masse pour casser les courants en mode commun. Les designs de reference fournisseurs et la mesure de l'ECC en chambre anechoique constituent la voie pratique.