L’objectif est de réaliser une antenne patch rectangulaire pour la bande de fréquence 2.4 GHz sur un PCB FR4.
La bande de fréquence 2.4 GHz est utilisée par le WiFi, Le Bluetooth et d’autres protocoles. La fréquence va de 2400 à 2484 MHz avec la fréquence centrale à 2442 MHz.
1. Choix du PCB
Par simplicité, je sélectionne le fabricant JLCPCB (cf 1).
Leur matériau FR4 2 couches a les caractéristiques suivantes :
1. Calcul des dimensions
On peut retrouver les formules de calcul d’une antenne patch rectangulaire dans le livre « Antenna Theory: Analysis and Design 3rd Edition » de Constantine A. Balanis à la page 817.
Avec une constante diélectrique de 4.5, une hauteur de substrat de 1.5 mm, et une fréquence de 2.442 GHz on trouve les valeurs suivantes :
W=37 mm
L=28.6 mm
Ces valeurs correspondent à celles fournies par le « Microstrip Patch Antenna Calculator » du site Em-talk (cf 2)
Le site dispose aussi d’un calculateur de ligne microstrip :
On prendra donc w=2.8 mm pour la largeur de ligne.
Pour la longueur de « inset_fed » d’après les équations du livre, on trouve 10mm.
Les largeurs des « slots » de part et d’autre de l’inset_fed sont choisies de 1.4 mm.
Pour les dimensions du PCB on prend le double des dimensions du patch, soit :
Ws=74 mm
Ls=57mm
3. Simulation avec CAPITOLE-RF
On créé tout d’abord un modèle géométrique avec FreeCAD (cf 3).
On va concevoir 2 modèles, l’un avec « Inset-fed » et l’autre sans, pour voir la différence.
Avec le logiciel CAPITOLE-RF (cf 4), on calcule le S11 entre 2.3 et 2.6Ghz et aussi le diagramme de rayonnement.
Le modèle sans inset-fed n’est pas du tout adapté. Il n’y a pas de résonance et le S11 ne descend pas au dessous de -3dB ce qui n’est pas bon. Pour le modèle avec inset-fed, on peut observer une résonance mais avec un décalage d’environ 20 MHz par rapport à la fréquence centrale utilisée pour les calculs analytiques.
On peut constater que la forme du diagramme de rayonnement est typique d’une antenne patch avec une directivité de 6.9 dBi.
4. Réalisation du PCB avec EasyEDA
Pour faire réaliser un PCB, il faut d’abord réaliser un fichier de fabrication. Le format le plus connu est le Gerber. Pour cela on va utiliser le logiciel gratuit EasyEDA (cf 5).
J’ai rajouté un connecteur SMA (modèle HJ-SMA023) pour faciliter la mesure.
Ensuite, on génère le fichier Gerber, puis on commande la fabrication sur JLCPCB (cf 1) directement depuis le logiciel.
Quelques semaines plus tard (en fonction du mode de livraison) on reçoit les cartes.
5. Mesure du S11 avec un VNA
On réalise une mesure du S11 de l’antenne patch inset-fed à l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel (VNA). La calibration est faite en bout de câble coaxial avec un kit de calibration SMA. La mesure va inclure donc le connecteur et la ligne microstrip. Cela n’est pas gênant pour une mesure rapide mais pourrait être amélioré par la suite pour être plus précis.
On constate un décalage des fréquences de résonance des 2 courbes.
Nous supposons ici que ce décalage est dû à la valeur de constante diélectrique du PCB qui a été pris pour la simulation. En effet, le fabricant donne une valeur de 4.5, mais par expérience, cette valeur peut ne pas être précise. De plus on ne connaît pas le tan δ qui représente les pertes.
6. Conclusion
Nous avons pu voir dans cet article comment réaliser une antenne Patch rectangulaire. Nous avons pu constater que l’antenne réalisée ne fonctionne pas à la bonne fréquence. Dans une seconde partie, nous verrons comment estimer la valeur de constante diélectrique et ajuster notre design.
Liens vers les sites cités en référence dans cet article :
- JLCPCB Fabricant de PCB
https://jlcpcb.com/ - Site EM-TALK
http://www.emtalk.com - Logiciel FreeCAD
https://www.freecadweb.org/ - Logiciel de simulation CAPITOLE-RF
https://simulation-software.nexiogroup.com/ - Logiciel Easy-EDA
https://easyeda.com/
Le Blog RF 