Choix antenne Bluetooth PCB 2.45 GHz

[SportsEngine]

Bonjour,

Je suis en train de modifier un de mes projets parce que j'avais des soucis de routage, et je me suis dit que ce serait cool d'y ajouter du Bluetooth Low Energy (BLE/Bluetooth Smart). J'ai choisi le nRF8001 de chez Nordic Semiconductor car il est pas mal documenté, et qu'il n'embarque pas de SoC donc plus compact que d'autres chip.
Mis à part des soucis de routage (besoin d'interruption sur 2 pins... non interruptibles ) l'ancien système avait un microcontrôleur et tout le code fonctionnel qui allait avec, donc je veux rester sur ce microcontrôleur qui a assez de ressources et d'I/O pour dialoguer avec le nRF8001.

Problématique :
Le PCB vient s'intégrer dans un accessoire de sport (roller/skateboard/hockey) déjà disponible dans le commerce, dont le diamètre intérieur ne fait que 60mm. Pour le moment j'en ai 20 à équiper mais peut être plus par la suite. C'est que de l'ABS, pas de partie métallique. Je n'ai pas l'intention de me lancer dans la fabrication du bidule en plastique donc je ferai avec celui que j'ai, et les contraintes suivantes :
- La contrainte de place (et de budget) font que je ne peux pas embarquer les modules pré-montés du type Bluefruit LE. La seule solution qu'il me reste est de refaire le design sur mon PCB. (d'où ma question sur les antennes, en fait).
- La batterie et d'autres composants (boutons poussoir et connecteur USB) occupent une surface conséquente en dessous du PCB et il ne faut pas que l'antenne arrive dessus.
- Le PCB est en 2 couches FR4, épaisseur possible comprise entre 1mm et 1.6mm en fonction des besoins pour l'antenne. Passage sur 4 couches possible mais préférence pour 2 couches (prix du PCB)
- Le système sera principalement utilisé en récepteur et dans un environnement extérieur (ou gymnase) assez dégagé.
- Peut-être que je rêve un peu mais j'aimerais avoir une sensibilité qui me permette de recevoir à une distance de l'ordre de 10m.

Type d'antenne
J'ai trouvé plusieurs designs d'antenne microstrip 50 ohm, Je peux également utiliser une petite antenne filaire comme sur les modules XBee. Mais pas d'antenne sur connecteur SMA (encombrante et chère) :

- Meander antenna : Application Note ST Microelectronics
- Meander F antenna : Application Note Texas Instruments
- Inverted F antenna : Design Note Texas Instruments
- "L" bended antenna : Module Bluefruit LE d'Adafruit
- Antenne avec slot : Module chinois basé sur CC2540

Questions
Mon principal problème, c'est de savoir :
1) Quel type d'antenne a les meilleures performances (exit les antennes sur puce)? A priori la "Inverted F Antenna" (IFA) mais à confirmer, qui est plus encombrante.
2) Comment les adapter pour un PCB FR4 2 couches : Quelles dimensions modifier pour garder une feedline théorique de 50 ohm et une fréquence de 2.45GHz
3) Quelle est l’influence de l'épaisseur du PCB sur la taille de l'antenne?
4) Faut-il enlever le PCB (découpe) autour de l'antenne? ou au contraire le laisser (sans cuivre dessus)? Peut être juste une découpe droite sur le flanc pour que l'antenne soit tout au bord du PCB?

Avancement
Vu que le routage va être impacté de manière importante j'ai préféré repartir de zéro (ajout du Bluetooth LE, nouvelle batterie, microcontrôleur avec un package QFN au lieu de TQFP...)

En pièce jointe il y a un aperçu de la place libre sur mon PCB pour le moment.
Il manque la partie microcontrôleur, charge de batterie et régulation qui seront casées là où il y aura de la place sur la couche TOP (composants 0402 et QFN/DFN avec pad thermique au centre donc passage au four). Le fonctionnement avait déjà été validé avec ces composants sur l'ancien projet, et j'ai du stock.

J'ai ajouté les antennes en respectant les application notes pour avoir une idée de la taille, mais elles ne sont pas forcément adaptées à du FR4 double couches. En bas à gauche c'est le design donné par Nordic, mais pas d'info sur le type de PCB utilisé.

Sur la couche BOTTOM le connecteur USB et les 3 LEDs 0603 peuvent être déplacés vers les boutons poussoirs. La batterie (rectangle vert) peut également être déplacée et tournée dans la limite où elle ne dépasse pas du cercle et qu'elle n'écrase pas un composant .

Les trous de montage peuvent aussi être déplacés, mais de préférence avec un angle de 120° entre chaque (j'ai déjà le socle de l'ancien projet imprimé en 3D )

Merci!
-----

[gwgidaz]

Bonjour,

Je ne vois pas en quoi le nombre de couches importe : l'antenne est sur une couche, de préférence extérieure, et il n'y a pas de cuivre sur les autres couches autour ou sous l'antenne !. Donc l'antenne ne sait pas s'il y a plusieurs couches....

Pour que la ligne qui arrive sur l'antenne ait une impédance caractéristique de 50 ohms:

si w est la largeur de la piste ( ligne) au dessus du plan de masse
si h est la distance entre cette piste et la couche de masse qui est sous cette piste,

il faut w/h environ égal à 2.

Donc ça dépendra des couches choisies pour la piste, et pour la masse.

Quant à l'antenne, plus elle est éloignée du la masse , meilleur sera le rendement. En regardant les différentes solutions, ça te donne une idée des meilleures...La dernière de ta liste ne doit pas être terrible...

On peut découper le FR4 autour de l'antenne, ce qui réduira les pertes, mais il faudra alors recalculer les dimensions car la capacité change un peu....Donc à ne faire que si vraiment il faut gratter le dernier dB

[gwgidaz]

Rebonjour,

J'ai oublié de répondre à l'une de tes questions : l'épaisseur du PCB qui supporte l'antenne a une légère influence. Si tu la changes, il faudra modifier légèrement la longueur totale de l'antenne, côté extrémité libre. Ce qui est relativement simple à expérimenter....

[SportsEngine]

Merci pour ces infos! bon déjà pour l'impédance de la feed line du coup pas le choix il me faut un PCB en 4 couches, sinon en 2 couches je me retrouverais avec une largeur de piste de 1,6 à 3,2mm selon l'épaisseur du PCB, c'est moyen en plus de ça j'aurai un vrai plan d'alim et un vrai plan de masse... C'est mieux

J'ai commandé deux petits modules Bluefruit LE pour faire des tests soft sur breadboard, c'est ceux qui ont une antenne en "L". Même si en fonction du design ça peut changer considérablement, je verrai ce que ça donne au niveau de la portée avec ce type d'antenne, sinon je partirai sur l'antenne IFA qui est un peu plus encombrante mais qui semble avoir de meilleures performances.

Il faudra que je regarde dans les application notes l'épaisseur de PCB utilisé pour le design de ces deux types d'antenne, ajouter un réseau de réglage en pi, et ça devrait jouer!

[A voir en vidéo sur Futura]

[FredANice]

Salut !!!
A ma connaissance de CB et de téléphonie et radio mobile, une antenne de 300 MHz mesure 1 mètre. 0.25 le car d'onde.
Donc pour du 2.4 GHz, l'antenne mesure 3.125cm.
Antenne droite, pas courbée et perpendiculaire au plan de masse.
Maintenant, je sais pas quelles conneries ils vont encore inventer..... Mais ça, c'est comme ça...

Je cherche à intégrer un BT dans une basse. Donc les avis m'intéressent aussi !!!

[gwgidaz]

Salut !!!
A ma connaissance de CB et de téléphonie et radio mobile, une antenne de 300 MHz mesure 1 mètre. 0.25 le car d'onde.
Donc pour du 2.4 GHz, l'antenne mesure 3.125cm.
Antenne droite, pas courbée et perpendiculaire au plan de masse.
Maintenant, je sais pas quelles conneries ils vont encore inventer..... Mais ça, c'est comme ça...

Je cherche à intégrer un BT dans une basse. Donc les avis m'intéressent aussi !!!

Ce ne sont pas des conneries, il faut te renseigner un peu plus....Une antenne quart d'onde n'est pas nécessairement perpendiculaire au plan de masse. Si on la place parallèlement, sa résistance de rayonnement ( série) diminue, d'autant plus qu'elle est proche de la masse, donc sa bande passante aussi. Donc on essaye de la placer assez loin de la masse, et pour l'adapter à 50 ohms, il existe toujours un point où il y a 50 ohms.

[f6bes]

S
Maintenant, je sais pas quelles conneries ils vont encore inventer..... Mais ça, c'est comme ça...

Je cherche à intégrer un BT dans une basse. Donc les avis m'intéressent aussi !!!

Bjr à toi, Ca dépend quel paramétre on préfére favoriser suivant la DISPONIBILITE de place. Si je traduit bien tu recherche un module
Blue Toot pour l'intégrer dans une guitare (basse).
C'est pas les modules qui manquent et dans une guitare y a certainement de la place.
Bonne journée

[FredANice]

Le point se situe entre le bout de l'antenne et la masse... Une antenne courbée par exemple, n'aura pas la même efficacité ou en U... Après, électroniquement ou avec un tos-matcher, ouais on y arrive. Mais réfléchissez au principe de base de toute antenne.... Pourquoi droite derrière les box qui balancent du BT ???
Tout évolue mais la physique ne change pas...

[f6bes]

Bjr à toi, Hum une antenne...on lui demande d'etre juste efficasse pour effectuer correctement la liaison nécessaire.
Donc on n'est pas à la recherche d'une performance maximale.....juste assurer le service demandé dans les cas cités.

Faut pas tout confondre !
Bonne journée

[gwgidaz]

Le point se situe entre le bout de l'antenne et la masse... Une antenne courbée par exemple, n'aura pas la même efficacité ou en U... Après, électroniquement ou avec un tos-matcher, ouais on y arrive. Mais réfléchissez au principe de base de toute antenne.... Pourquoi droite derrière les box qui balancent du BT ???
Tout évolue mais la physique ne change pas...

Bonjour,

Si le dipôle demi-onde ou la quart d'onde sont les cas idéaux, il est parfois nécessaire de réduire l'encombrement d'une antenne. C'est alors qu'on utilise ces antennes plus compactes, mais au détriment du rendement et de la bande passante: antennes boucles, antennes quart d'onde raccourcies, antennes lignes , antennes patch, antennes céramique, etc....

Voici un lien intéressant qui indique en particulier les différents cas de figures pour réduire l'encombrement ....

https://pratique-rfcircuits.monsite-...058e2b55d.html