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Introduction

This tutored project focused on designing and optimizing an antenna for IoT applications operating in ISM bands (433/868 MHz or 2.4 GHz). The project encompassed the complete design cycle from theoretical calculations and electromagnetic simulations to PCB fabrication and professional characterization using VNA and anechoic chamber measurements.

Project Overview

The goal was to develop a compact, efficient antenna for LoRa, Sigfox, WiFi, or Bluetooth applications. Key specifications included S11 < -10 dB, omnidirectional gain > 0 dBi, and 50Ω impedance matching.

Design Specifications

Target Frequencies:

Performance Requirements:

Antenna Topologies Studied

For 433/868 MHz:

For 2.4 GHz:

Design and Simulation

Electromagnetic Modeling

We used CST Studio or HFSS for 3D electromagnetic simulation. The design process included:

Antenna Design Phase 1 Antenna Specifications

Initial Dimensioning:

Optimization:

Simulation Setup

Simulation Results:

Simulation Results Radiation Pattern

PCB Fabrication

Design and Manufacturing

Characterization and Testing

VNA Measurements

Using Vector Network Analyzer with SOLT calibration:

VNA Measurements

Anechoic Chamber Testing

Professional RF chamber measurements:

Anechoic Chamber Setup Measurement Results

Results and Analysis

The fabricated antenna met specifications with S11 < -12 dB at the target frequency. Measured gain matched simulations within ±1 dB. Real-world link tests demonstrated effective communication range for the target IoT application.

Key learnings included the impact of substrate properties on performance, importance of precise manufacturing tolerances, and ground plane effects on radiation patterns.

Conclusion

This project provided comprehensive hands-on experience in RF antenna design, from theoretical analysis through professional characterization. We successfully designed, fabricated, and validated a functional antenna for IoT applications, demonstrating the complete engineering workflow for wireless communication systems.

PART B: EXPÉRIENCE, CONTEXTE ET FONCTION (Cahier des charges)

Spécifications techniques

Fréquence :

Performances :

Contraintes :

Types d’antennes possibles

433/868 MHz :

2.4 GHz :

PART C: ASPECTS TECHNIQUES (Méthodologie)

Phase 1 : Étude et conception (15h)

Recherche bibliographique :

Dimensionnement théorique :

Adaptation :

Phase 2 : Simulation EM (15h)

Modélisation 3D :

Optimisation :

Résultats simulation :

Phase 3 : Réalisation (10h)

PCB :

Assemblage :

Phase 4 : Caractérisation (10h)

Mesures VNA :

Chambre anéchoïque :

Tests liaison :

PART D: ANALYSE ET RÉFLEXION

Livrables

Évaluation

Compétences acquises

Débouchés

📚 Cahier des charges

Spécifications techniques

Fréquence de travail :

Performances :

Contraintes :

Applications visées

IoT basse consommation :

Cas d’usage :

🛠️ Réalisation du projet

Phase 1 : Étude et choix de conception

Analyse des besoins

Choix du type d’antenne

Options étudiées :

  1. Antenne patch (microstrip) :
    • Compacte, planaire
    • Fabrication PCB facile
    • Bande passante limitée
    • Gain moyen (5-7 dBi)
  2. Antenne monopole λ/4 :
    • Omnidirectionnelle
    • Simple
    • Nécessite plan de masse
    • Gain ~2 dBi
  3. Antenne IFA (Inverted-F) :
    • Très compacte
    • Bonne pour GSM/WiFi
    • Accordable
    • Largeur de bande ajustable
  4. Antenne dipôle plié :
    • Bande passante améliorée
    • Fabrication PCB
    • Omnidirectionnelle
  5. Antenne PIFA (Planar IFA) :
    • Très compacte
    • Multi-bande possible
    • Intégration facile
    • Smartphones, IoT

Choix justifié : Sélection basée sur compromis :

Phase 2 : Dimensionnement théorique

Calculs de base

Longueur d’onde : \(\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 10^8}{f}\)

Exemples :

Dimensions antenne : Selon type choisi (λ/4, λ/2, patch, etc.)

Substrat PCB :

Longueur d’onde guidée : \(\lambda_g = \frac{\lambda_0}{\sqrt{\varepsilon_{reff}}}\)

Adaptation d’impédance

Objectif : 50Ω

Phase 3 : Simulation EM

Logiciels utilisés

MMANA-GAL :

CST Microwave Studio :

HFSS :

AWR (Applied Wave Research) :

Paramètres simulés

Adaptation (S11) :

Diagramme de rayonnement :

Impédance d’entrée :

Efficacité :

Optimisation

Variables ajustables :

Objectif :

Phase 4 : Réalisation PCB

Design du PCB

Logiciel CAO :

Couches :

Éléments :

Fabrication :

Assemblage

Composants :

Soudure :

Mécanique :

Phase 5 : Caractérisation

Mesures au VNA (Analyseur de Réseau Vectoriel)

Calibration :

Paramètres S11 :

Smith chart :

Mesures en chambre anéchoïque

Diagramme de rayonnement :

Gain absolu :

Polarisation :

Tests en conditions réelles

Bilan de liaison radio :

Portée effective :

Phase 6 : Analyse et optimisation

Comparaison simulation/mesure

Écarts typiques :

Corrections possibles :

Améliorations

Si performances insuffisantes :

Si performances OK :

📊 Livrables du projet

Documentation technique

  1. Cahier des charges :
    • Spécifications
    • Contraintes
    • Application visée
  2. Étude théorique :
    • Calculs dimensionnels
    • Choix justifiés
    • État de l’art
  3. Simulations :
    • Screenshots CST/HFSS
    • Paramètres S11
    • Diagrammes de rayonnement
    • Courbes de gain
  4. Design PCB :
    • Schémas
    • Layout
    • Fichiers Gerber
    • Nomenclature
  5. Mesures :
    • Protocoles
    • Résultats VNA
    • Diagrammes mesurés
    • Tests de portée
  6. Analyse :
    • Comparaison simulation/mesure
    • Validation cahier des charges
    • Améliorations proposées
  7. Rapport final :
    • 30-50 pages
    • Structuré et illustré
    • Bibliographie

Réalisations pratiques

Soutenance

💻 Outils utilisés

Simulation

Planification

Conception PCB

Mesure

🔗 Liens avec les cours

💡 Exemples de réalisations

Antenne patch 2.4 GHz

Antenne monopole 868 MHz

Antenne IFA 2.4 GHz

📖 Compétences développées

⚠️ Points d’attention

Simulation

Fabrication

Mesures

Validation

🎯 Critères d’évaluation

📚 Ressources

Project Documentation

Below are the three phases of the antenna project documentation. You can scroll through each PDF side by side.

📄 Phase 1: Design & Specifications

📄 Phase 2: Simulation & Optimization

📄 Phase 3: Fabrication & Testing