Подобряване на Bluetooth сигнала: методи за опитни. Антени за Bluetooth Свързване на външна антена към bluetooth модула

Няколко компании, като Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion и други, вече произвеждат широка гама антени, които се използват в клетъчната телефония и са специално проектирани за Bluetooth системи, като използват керамични материали с добри високочестотни свойства.

Hitachi Metals пусна антени "E-Type Electrode Configuration" (Фигура 28), които са много подходящи за Bluetooth приложения. Пространството, необходимо за новата антена, е много малко (15x3x2 mm), тя не е чувствителна към местоположението на периферните части, може да бъде проектирана като високопроизводителна чип антена за Bluetooth и е лесна за използване.

Ориз. 28

Antek Wireless Inc. разработи нова 2,4 GHz антена с оригинален дизайн, която осигурява ефективност, която надхвърля почти всички спецификации на дизайна, миниатюрна е и може да се инсталира в почти всяко устройство. Антената е приложима за различни приложения като безжично видео предаване, аудио оборудване, слушалки, модеми, мобилни компютри, преносими телефони и други преносими ръчни устройства, използващи Bluetooth, IEEE 802.11 и HomeRF протоколи.

Centurion International разработи вътрешна антена PIFA или варианти на плоската антена за използване в преносими компютри, използващи Bluetooth технология. Новата антена позволява на производителите на компютри да разработват преносими устройства, които лесно комуникират с преносими телефони и системи за съобщения и се свързват с интернет на високи скоростипредаване на данни.

Murata Manufacturing Co. започва производството и продажбата на вградени диелектрични антени за лаптопи, използващи технологията Bluetooth (фиг. 29). Размерите на модула от новата серия G2 са 15x5.8x7.0 mm.

Ориз. 29

Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. ООД Произвежда ултракомпактна антена за Bluetooth устройства (30). Антената е изработена на керамична основа и е с размери 5x1.2x1.2 mm. Това е най-малката антена в Bluetooth индустрията. Характеристиките на антената са както следва: работна честота 2,4 GHz, усилване -2 dBi, коефициент на стояща вълна на напрежение (VSWR) 2,0.

TDK Corp. произвежда две малки полувълнови антени (7 на 7 mm) за използване в продукти, базирани на Bluetooth технология. Антената CANPB0715 има усилване от -5 dBi, а антената CANPB0716 има усилване от 3 dBi. Повечето други малки антени са четвърт вълнови. Използването им е възможно само в по-големи мобилни устройстваах, като лаптопи, където заземяването се извършва към тялото на устройството.

Преди това антените имаха две основни конфигурации: F-тип обратна монополна антена и плоска антена. Една обърната F антена има една страна отворена, а другата заземена, за да се намали размерът, но отворената страна е подложена на влиянието на заземяващия електрод.

Ориз. тридесет

Следователно е необходима голяма площ за реализиране на свойствата на антената в дадено пространство и е необходимо внимание при проектирането на разположението на периферните компоненти. Освен това плоската антена е силно чувствителна (високо усилване) и има силни насочени свойства, което я прави неподходяща за Bluetooth приложения, където се изисква многопосочност.

Типът антена, разработен от Hitachi Metals, има уникалните предимства на обратната антена тип F, но включва заземяващи електроди от двете страни и добавя централен електрод с форма на конус. С други думи, новата конфигурация на E-Type Electrode, изобретена от Hitachi Metals, може да бъде допълнително миниатюризирана, без значително да се засягат близките заземяващи електроди. Колкото по-малка е антената, толкова по-малко корпусът влияе на нейните параметри.

Анализът на всички конструкции на антени за Bluetooth системата, даден по-горе, ни позволява да идентифицираме основните параметри на антената, включени в спецификацията на антената, въз основа на които можете да изберете метод за проектиране на мобилен телефон с такава антена.

Технически изискваниякъм антената на системата Bluetooth:

Работна честотна лента: 2400…2500 MHz;

Средно усилване: -3 dBi;

Входен импеданс: 50 Ohm;

VSWR: 3 или по-малко.

В процеса на проектиране на антенна система е необходимо:

Оптимизирайте земната повърхност (понякога наричана противотежест), т.е. намерете оптималното запълване на вътрешната повърхност на корпуса на телефона с проводими зони. Днес това често се изпълнява чрез боядисване отделни частикорпуси с проводяща боя.

Целта на проектирането на антената е да се получи необходимата диаграма на излъчване (RP) и добро съвпадение в работната честотна лента.

Планарна антенни системи BlueTooth в мобилни телефони

В. Калиничев, А. Курушин, В. Недера

Планарни антенни системи BlueTooth в мобилни телефони

Разгледани са въпросите за използването на планарни микролентови антени в безжичната локална комуникационна система Bluetooth. Разглеждат се конструкциите и методите за анализ на планарна керамична антена, като се вземат предвид загубите в керамиката. За числен анализ на антената в корпуса е използвана програмата HFSS. За конкретен телефон бяха направени изчисления: разпределение на тока по повърхността на метално тяло на телефона, покрито с диелектрик, диаграми на излъчване за различни ориентации на мобилен телефон. Даден е преглед на серийните Bluetooth антени, както и препоръки за инсталиране на тези антени в корпуса.

Въведение

Увеличаването на скоростта на обмен на информация допринесе за развитието безжични системикомуникации на "домашно" ниво. Персонални компютри и лаптопи, мобилни телефони, CD и MP3 плейъри, цифрови фото и видео камери и много други цифрови устройства(фиг. 1), често свързани помежду си и към настолни компютри, създаде проблем с връзката им.

Фигура 1. Система за комуникация в близко поле, използваща безжична технология Bluetooth

Кабелът стана неудобен - трябва да се свързва често, размерите на самия кабел с конектори са почти по-големи от самото устройство и т.н. На този фон актуалността на безж местни технологии WLAN (Wireless Local Area Networking), осигуряваща безконтактна връзка на устройството към устройството на хост компютъра.

В резултат на това беше предложена и бързо разработена система безжична комуникация Bluetooth (фиг. 1). В радиочестотния спектър са разпределени 79 канала в обхвата 37 MHz (приблизително 2 MHz всеки) в диапазона 2,4465-2,4835 GHz.

Същността на Bluetooth стандарта е оборудването електронни устройстватрансивъри, работещи на честота 2,45 GHz, с обхват до 10 m и скорост на предаване на информация до 1 Mbit/s. Възможностите за използване на тези устройства са наистина безкрайни. Безжични слушалки, мишки, клавиатури, свързване на мобилни телефони и лаптопи, обмен на информация между преносими компютри - не можете да изброите всичко.

Bluetooth системата работи в разрешената честотна лента от 2,45 GHz (ISM лента - индустрия, наука, медицина), което позволява безплатно използване на Bluetooth устройства по целия свят. Технологията използва прескачане на честотата (1600 скока/s) с разширен спектър. По време на работа предавателят прескача от една работна честота на друга с помощта на псевдослучаен алгоритъм. За разделяне на приемните и предавателните канали се използва времево разделение (фиг. 2). Поддържа синхронен и асинхронен трансфер на данни и осигурява интеграция с TCP/IP. Времевите интервали са синхронизирани за предаване на пакети, всеки от които се предава на различна радиочестота.

Фигура 2. Променлив обмен на данни между устройство A и устройство B

Консумацията на енергия на Bluetooth устройствата трябва да бъде в рамките на 0,1 W. Всяко устройство има уникален 48-битов мрежов адрес, съвместим със стандартния формат локални мрежи IEEE 802.

Основният принцип на изграждане на Bluetooth системи е използването на метода на разпръснатия спектър на честотен скок (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Целият честотен диапазон от 2,402...2,480 GHz, предназначен за Bluetooth радиокомуникации, е разделен на N честотни канала. Честотната лента на всеки канал е 1 MHz, каналното разстояние е 140…175 kHz. Честотната манипулация се използва за кодиране на пакетна информация.

За САЩ и Европа N = 79. Изключение правят Испания и Франция, където се използват 23 честотни канала за Bluetooth. Каналите се сменят по псевдослучаен закон с честота 1600 Hz. Постоянното редуване на честотите позволява на Bluetooth радиоинтерфейса да излъчва информация в целия ISM обхват и да избягва смущения от устройства, работещи в същия обхват. Ако този канале шумен, тогава системата ще превключи на друга и това ще се случи, докато не се намери канал, който не съдържа смущения.

Простотата на структурата значително допринесе за бързото стартиране на Bluetooth системата. Състои се от радио приемо-предавателен модул, комуникационен контролер (известен също като процесор) и контролно устройство, което реално изпълнява Bluetooth протоколите горни нива, както и интерфейс с крайното устройство. Освен това, ако трансивърът и комуникационният контролер са специализирани микросхеми (интегрирани или хибридни), тогава устройствата за управление на комуникацията се изпълняват на стандартни микроконтролери, сигнални процесори или техните функции се поддържат централни процесоримощни крайни устройства (например лаптопи).

В допълнение, Bluetooth устройствата използват интегрални схеми, използвани в други приложения, тъй като микровълновият диапазон от 2 GHz е доста добре развит, а вграденият Bluetooth техническисамите решения не съдържат много новости. Всъщност схемата на модулация е широко разпространена, технологията за разпространение на спектъра чрез метода на прескачане на честотата е добре развита и мощността е ниска.

Ключът към успеха на Bluetooth технологията е радиопредавателят. Ниска ценаи ниската мощност бяха основни съображения както при изпълнението на техническите изисквания на интерфейса (къса въздушна радио връзка), така и при проектирането на трансивъра. Bluetooth технологията ви позволява да създадете приемо-предавател с един чип чрез комбиниране на радиочестотна схема и схема за обработка на цифрови потоци на един силиконов чип.

Bluetooth трансивър

Bluetooth трансивърът може да бъде разделен на три функционален блок(фиг. 3). Радиоблокът съдържа RF преобразуватели нагоре и надолу, бейсбенд IF, канален филтър, модулатор/демодулатор и честотен синтезатор.

Фигура 3. Основни елементи на Bluetooth трансивър

Радиоблокът преобразува FM сигнала с честота 2,45 GHz в битов поток и обратно. Антената е много важен елемент от системата. Антената трябва да е многопосочна и да има коефициент на усилване 0 dBi, присъствието на потребителя не трябва да влияе на разпространението на сигнала. Поради малката дължина на вълната при 2,45 GHz, размерът на антената е ограничен до няколко см. Понастоящем най-често се използват плоски или PIFA антени, но са предложени дори по-малки конструкции от E-тип върху керамичен субстрат. Антената е допълнена от лентов филтър, който разделя честотата 2,45 GHz от ISM лентата.

За реализиране на прости и стабилни приемници и некохерентно откриване, Bluetooth използва бинарна манипулация с изместване на честотата (FSK) с импулсно сканиране на Гаус при 1 Mbps. Площта на такъв сигнал е BT = 0,5, където B е лентата, T е продължителността на импулса, с индекс на модулация от 0,28 до 0,35 и продължителност на импулса 1 μs. FM елиминира необходимостта от AGC, който има затруднения при работа по време на превключване на честотата и когато данните пристигат на нередовни интервали от време. Предният край на RF приемника се състои от преобразувател надолу, канален лентов филтър и честотен детектор.

Каналният филтър разпределя лента от 1 MHz и е обект на доста високи изисквания за селективност. Тъй като ISM лентата трябва да се споделя с други системи в лентата (които може да включват други Bluetooth системи), трябва да се вземат мерки за предотвратяване на смущения на устройствата. Обикновено Bluetooth приемник е изграден с преобразуване на честотата надолу (тоест, когато огледалният канал попада в IF обхвата). За да изолирате съседни Bluetooth системи, коефициентите на блокиране на огледалния канал трябва да бъдат 20, 30 и 40 dB за първия, втория и третия съседни канали.

Поради естеството на Bluetooth системата техническите изисквания за интермодулация са по-строги, отколкото за чувствителността на приемника.

За покриване на разстояние от 10 m с изходна мощност от 0 dBm е достатъчна чувствителността на приемника P min = -70 dBm. Като се вземе предвид нивото на шума на входа на приемника -114 dBm (в шумова лента от 1 MHz) и изискването на изхода на приемния път K m = 21 dB, за да се осигури максимален процент грешки при предаване на информация BER = 0,1 %, получаваме, че стойността на шума е 13 dB. Тази стойност се изчислява по формулата за чувствителност

P min = -174 dBm + NF + 10lgB + a + K m , (1)

където -174 dBm е мощността на топлинния шум (kTB) в честотната лента от 1 Hz в нормална температура; NF - шумов коефициент, dB; B - честотна лента пред демодулатора, 1 MHz; a - праг на реакция, a = 3 dB; K m - коефициент в зависимост от вида на модулацията.

В сравнение с постигнатата днес шумова стойност, която е доста под 13 dB, тази стойност изглежда доста ниска. Въпреки това, това ниско изискване позволява използването на евтини компоненти със загуби и осигурява защита от смущаващи сигнали (шум в субстрата и по протежение на разпределението на мощността).

Изчисляване на динамичния обхват на Bluetooth приемник

Горната граница на динамичния диапазон може да се оцени чрез нивото на продукта на интермодулационно изкривяване от 3-ти ред, ако приемем, че на входа има 2 сигнала с честотите на два съседни канала.

Два сигнала с честоти f 0 + D f и f 0 + 2D f произвеждат продукт на интермодулационно изкривяване от трети ред P IM3 във въпросния радиоканал с честота f 0 . Нивото на мощност на продукта P IM3 зависи от входния сигнал за смущаваща мощност P in и нелинейния параметър на целия приемник - точката на прихващане от трети ред IP 3 - и е равно на:

P IM3 = 3P in - 2IP 3 [dB]. (2)

Без изкривяване динамичен диапазонсе определя от условието, че изкривяванията от линеен и нелинеен произход еднакво влияят на изкривяванията в демодулатора и еднакво влошават откриването на неговия собствен сигнал. Това означава, че за да не надвишава BER същата стойност от 0,1%, която е зададена при определяне на чувствителността, е необходимо мощността на получения сигнал да бъде с 3 dB над нивото на шума (което съответства на чувствителността на приемника Pmin). Следователно IP3 = -16 dBm беше получено в израз (2), като се приеме, че интермодулационният продукт PIM3 е равен на чувствителността на приемника, двата смущаващи сигнала имат мощност от 0 dBm и смущението присъства на разстояние от 1 m.

Комбинирайки стойността IP3 = -16 dBm с чувствителността на приемника P min = -70 dBm, от (1) и (2) намираме, че динамичният обхват без изкривяване (SFDR) на Bluetooth приемника трябва да бъде равен на

SFDR = 2/3(IP 3 - (P min + 3 dB)) = 50 dB. (3)

Предавателят също е доста прост. Двоичната GFSK модулация се получава чрез директна модулация на FM локалния осцилатор. Следователно не са необходими допълнителни фазови трансформации с нарастваща честота. Сигналът на основната лента се филтрира с филтър на Гаус, за да се поддържа спектрална ширина от 1 MHz, както се изисква за FM системи, работещи в 2,45 GHz ISM лента. Модулацията с гаусова обвивка не поставя високи изисквания към линейността на изходния етап на предавателя; тук могат да се използват икономични усилватели от клас C.

Мощността на Bluetooth предавателя е около 0 dBm (може да се използва максимална мощност до 20 dBm). За нива на мощност, по-големи от 0 dBm, се прилага управление на мощността в затворен контур.

Изчисляване на обхвата на работа на мобилен телефон в системата Bluetooth

Известно е, че мощността на радиосигнала в точката на приемане P n е равна на:

където P е мощността, излъчвана от предавателя; G m - максимално усилване на предавателната антена; A eff.m - максимална ефективна площ на приемната антена (пропорционална на геометричната площ на антената); F(,) - функция на диаграмата на предаване на антената; F"(",") - функция на диаграмата на излъчване на приемната антена.

От тази формула можете да получите максимален радиообхват, при условие че антените са насочени една към друга,

където P n.min е чувствителността на приемника, в нашия случай P n.min = 10-10 W (-70 dBm).

Замествайки във формула (4) мощността на предавателя P = 10-3 W, G m = 0,5, A rms = 25·10 -6 (5 на 5 mm), получаваме r m = 3 m.

Тази стойност приблизително съответства на изискванията на системата Bluetooth и може да служи като отправна точка за изчисляване на геометрията на антената, тъй като останалите характеристики се определят от стандарта за чипа на трансивъра.

Антени за Bluetooth (преглед на производители и решения)

Няколко компании, като Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion и други, вече произвеждат широка гама антени, които се използват в клетъчната телефония и са специално проектирани за Bluetooth системи, като използват керамични материали с добри високочестотни свойства.

Hitachi Metals пусна антени "E-Type Electrode Configuration" (Фигура 4), които са много подходящи за Bluetooth приложения. Пространството, необходимо за новата антена, е много малко (15x3x2 mm), тя не е чувствителна към местоположението на периферните части, може да бъде проектирана като високопроизводителна чип антена за Bluetooth и е лесна за използване.

Фигура 4. Изглед на Bluetooth антена на Hitachi Metals

Antek Wireless Inc. разработи нова 2,4 GHz антена с оригинален дизайн, която осигурява ефективност, която надхвърля почти всички спецификации на дизайна, миниатюрна е и може да се инсталира в почти всяко устройство. Антената е приложима за различни приложения като безжично видео предаване, аудио оборудване, слушалки, модеми, мобилни компютри, преносими телефони и други преносими ръчни устройства, използващи Bluetooth, IEEE 802.11 и HomeRF протоколи.

Centurion International разработи вътрешна антена PIFA или варианти на плоската антена за използване в преносими компютри, използващи Bluetooth технология. Новата антена позволява на производителите на компютри да разработват преносими устройства, които лесно комуникират с преносими телефони и системи за съобщения и се свързват с интернет при високи скорости на данни.

Murata Manufacturing Co. започва производството и продажбата на вградени диелектрични антени за лаптопи, използващи технологията Bluetooth (фиг. 5). Размерите на модула от новата серия G2 са 15x5.8x7.0 mm.

Фигура 5. Чип антена ANCG22G41 Murata

Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. ООД Произвежда ултракомпактна антена за Bluetooth устройства. Антената е изработена на керамична основа и е с размери 5x1.2x1.2 mm. Това е най-малката антена в Bluetooth индустрията. Характеристиките на антената са както следва: работна честота 2,4 GHz, усилване -2 dBi, коефициент на стояща вълна на напрежение (VSWR) 2,0.

Фигура 6. Керамична антена в кутия за мобилен телефон (снимка)

TDK Corp. произвежда две малки полувълнови антени (7 на 7 mm) за използване в продукти, базирани на Bluetooth технология. Антената CANPB0715 има усилване от -5 dBi, а антената CANPB0716 има усилване от 3 dBi. Повечето други малки антени са четвърт вълнови. Използването им е възможно само в по-големи мобилни устройства, като лаптопи, където заземяването е извършено към корпуса на устройството. За мобилните телефони беше необходимо разработването на полувълнови антени.

Фигура 7. 3D изглед на Bluetooth антена в метализиран калъф за мобилен телефон (HFSS чертеж)

Конфигурация на антена тип E

Преди това антените имаха две основни конфигурации: F-тип обратна монополна антена и плоска антена.

Една обърната F антена има една страна отворена, а другата заземена, за да се намали размерът, но отворената страна е подложена на влиянието на заземяващия електрод. Следователно е необходима голяма площ за реализиране на свойствата на антената в дадено пространство и е необходимо внимание при проектирането на разположението на периферните компоненти.

Освен това плоската антена е силно чувствителна (високо усилване) и има силни насочени свойства, което я прави неподходяща за Bluetooth приложения, където се изисква многопосочност.

Типът антена, разработен от Hitachi Metals, има уникалните предимства на обратната антена тип F, но включва заземяващи електроди от двете страни и добавя централен електрод с форма на конус. С други думи, новата конфигурация на E-Type Electrode, изобретена от Hitachi Metals, може да бъде допълнително миниатюризирана, без значително да се засягат близките заземяващи електроди. Колкото по-малка е антената, толкова по-малко корпусът влияе на нейните параметри.

Анализът на всички конструкции на антени за Bluetooth системата, даден по-горе, ни позволява да идентифицираме основните параметри на антената, включени в спецификацията на антената, въз основа на които можете да изберете метод за проектиране на мобилен телефон с такава антена.

Спецификации на Bluetooth антената:

• работна честотна лента: 2400…2500 MHz;
• средно усилване: -3 dBi;
• входен импеданс: 50 Ohm;
• VSWR: 3 или по-малко.

В процеса на проектиране на антенна система е необходимо:

• изчисляване на съвпадащата структура между входа на филтъра и захранващата точка на микролентовата антена;
• оптимизирайте земната повърхност (понякога наричана противотежест), т.е. намерете оптималното запълване на вътрешната повърхност на корпуса на телефона с проводими зони. В момента това често се постига чрез боядисване на отделни части от корпуса с проводима боя.

Целта на проектирането на антената е да се получи необходимата диаграма на излъчване (RP) и добро съвпадение в работната честотна лента.

Анализ на обобщената структура на планарна антена

От прегледа на съществуващите антени за Bluetooth системата става ясно, че те имат метални форми със сложни конфигурации, нанесени върху една или няколко страни на триизмерен субстрат, най-често керамичен с висока пропускливост (фиг. 8). Следователно можем да кажем, че всяка от тези форми е резонатор. Известно е, че размерите на антената са свързани с работната честота. Ако приемем, че антената резонира по протежение на по-дългата страна, тогава дължината на антената може да се оцени с помощта на следната проста формула:

където f r е определената резонансна честота; - относителна диелектрична константа на материала на подложката. Тази формула не отчита ефекта от ширината на субстрата на антената и дебелината на субстрата върху резонансната честота, но този ефект обикновено е незначителен. Формула (1) отразява физическата същност на печатната антена (фиг. 9) като полувълнов резонатор, който се образува в пространството между горния проводник и заземителната плоча на антената. Например при честота f r = 2,5 GHz и = 34 (керамика) от (1) имаме A ~= 10,3 mm.

Фигура 8. Геометрия на Bluetooth антената YCE-5207 в AutoCAD

Фигура 9. Bluetooth антена (изглед отгоре), проектирана в AutoCAD

Дължината на антената може да бъде намалена поне наполовина (когато работи на същата честота), ако единият край е заземен. В този случай получавате така наречената обърната F антена (PIFA), която представлява четвърт вълнов резонатор, чийто един край е заземен, а другият е отворен (idle). PIFA (фиг. 3) се управлява от коаксиалната линия в точката, където входният импеданс на антената е близо до 50 ома. По този начин дължината на PIFA може да бъде приблизително оценена като

За антена, настроена на същата честота f r = 2,5 GHz и = 34, получаваме ~ = 5,1 mm, което вече заема много по-малко място, отколкото в предишния случай. Действителният размер на антената може да бъде дори по-малък поради ефекта на ръба на близкото поле, концентриран в отворения край на резонатора.

Размерът на E-антената, тъй като е сгъната от двете страни, може да бъде приблизително оценен като

Тъй като антените за Bluetooth системата са разположени в полузатворен екран със сложна форма, характеристиките на антенната система могат да се различават значително от характеристиките, изчислени с помощта на теоретични формули. В този случай параметрите на антената (размери на проводниците и височина на разстоянието между тях) могат да бъдат оптимизирани с помощта на един от софтуерните пакети, които симулират електромагнитни структури (фиг. 10).

Фигура 10. Близко поле в мобилен телефон (в програмното поле HFSS)

Обърнете внимание, че предимството на малкия размер на PIFA антената се постига чрез намаляване на нейната излъчвателна способност (само един ръб излъчва), освен това PIFA антените обикновено са теснолентови.

Числени методипланарна конструкция на антената

Антените са основните компоненти на всички радиокомуникационни системи и използват свободно пространство като среда за пренос. Те се използват за свързване на предавател или приемник в свободно пространство.

Антените имат редица важни параметри, най-интересните от които са усилване, диаграма на излъчване, честотна лента и поляризация.

Съвременният дизайн на антени за мобилни телефони (фиг. 11) се основава на моделиране на електромагнитни явления на компютър, като се използват като изходни данни резултатите, получени въз основа на изчисления на скица и евристични съображения.

Фигура 11. Изглед на Bluetooth антената в кутията на мобилния телефон

Когато създавате модел, трябва да запомните, че геометрията трябва да съответства на действителното положение на антената по време на работа, тоест така, че корпусът да е във вертикално положение (или под лек ъгъл). В този случай плоската антена е в позиция на ръба.

Характеристики на миниатюрни керамични антени

Керамичната антена е изработена върху подложка с висока диелектрична проницаемост. Материал с висока пропускливост също има големи загуби.

Следователно изчисляването на такива антени трябва да се извърши с помощта на програми, които основно отчитат загубите в керамиката. Такава програма е програмата HFSS.

За да се инсталира успешно плоска антена в структурата на мобилен телефон, е необходимо да се проведат изчислителни изследвания, които да покажат зависимостта на характеристиките на антенната система от определени структурни елементи на телефона.

Нека отбележим следните характеристики на микролентовите антени:

• микролентовите антени имат по-тясна лента в сравнение със спираловидните антени;
• микролентовите антени лесно прилагат кръгова поляризация, в сравнение с преобладаващата вертикална поляризация на спиралните антени;
• Микролентовите антени имат по-неравномерна диаграма на излъчване в азимуталната равнина, отколкото спиралните и вибраторните антени, поради тяхната асиметрия по отношение на вертикалната ос.

Както вече беше отбелязано, керамичната антена е 3D структура с метални проводници, нанесени върху повърхността на всяка страна определена форма. Този дизайн може да има една или повече точки на възбуждане. В тези точки към антената се прилага вълнуващо напрежение, което индуцира радиационни токове в структурата. Точките на възбуждане могат да бъдат свързани чрез балун трансформатор (balun).

В допълнение към точките на възбуждане, печатната антена може да има точки за заземяване (връзки към заземителната равнина). Токовете, индуцирани в тази сложна структура, формират диаграмата на излъчване и прилагат други характеристики на антената, необходими за установяване на комуникация персонален компютърили друго устройство.

Тъй като в резултат на електродинамично изчисление е възможно да се определи разпределението на токовете в системата, техният анализ може да послужи като основа за надграждане на антената.

В процеса на проектиране на антена е необходимо на първо място да се получи входен импеданс близо до 50 ома, тъй като в този случай ще бъде възможно да се съпостави антената с входен усилвател с нисък шум и усилвател на мощност от пътя на предаване с по-малко загуби.

Например, ако стойността на обратната загуба на антената (параметър 20 log |S 11 |) е около -20 dB, това показва, че в работния честотен диапазон антената ще работи с добра координация с околното пространство. Стойност от -20 dB показва, че мощността на генератора ще бъде погълната почти без отражение от антената, която от своя страна е заредена със свободно пространство. Антената е трансформатор между изхода на усилвател на мощност (или входа на усилвател с нисък шум) ​​и свободното пространство, чийто характерен импеданс за равнинна вълна в далечното поле може да се счита за равен на 377 ома.

Следващото изискване са характеристиките на излъчване, които определят способността на антената да излъчва в различни посоки. При проектирането и изчисляването на антена обикновено се интересуват от напречните сечения на диаграмата на излъчване в две взаимно перпендикулярни равнини: азимутална и елевационна. Азимуталната диаграма определя способността на антената да излъчва в хоризонталната равнина, а елевацията определя способността да излъчва във вертикалната равнина. И двата модела са важни за мобилен телефон, но първият определя многопосочността и е по-типичен за оценка на радиацията при работни условия. Параметрите на насоченост на печатната антена или нейните модификации не трябва да са по-лоши от тези на съществуващите спираловидни антени.

Изчисляване на радиационните характеристики на Bluetooth антената

Таблицата показва резултатите от моделирането на антена в корпус, използвайки точните геометрични размери на конкретен дизайн. Таблицата показва, че параметрите на изчисления дизайн се различават значително от измерените съвпадащи параметри (фиг. 16). Затова нека анализираме причините за тези различия.

Таблица. Мощност, излъчвана от антената, насоченост, усилване и големина при липса на загуби в субстрата (диелектрична константа = 0). Номиналната мощност на генератора на входа (порта) е 1 W

Най-голямата фундаментална разлика между изчисления и реалния дизайн е в параметрите на основата. По този начин изчислителните данни, дадени в таблицата, съответстват на идеализирания случай на липса на загуби в керамичния субстрат. В този идеализиран случай без загуби ще намерим връзката между параметрите на таблицата.

Pizl се изчислява от програмата HFSS за цялата радиационна граница. Цялата мощност, преминаваща през стените, маркиращи границата на далечното поле, се сумира и дава това излъчвано P.

Ако субстратът и проводниците са без загуби, тогава цялата мощност, пристигаща към антената, се излъчва, т.е. излъчва се P. = P ant и тази мощност, пристигаща до антената и след това излъчена, се определя от своя страна от несъответствието:

P iz = P ant = P nom (1 – |S 11 |²), (7)

където P nom е номиналната мощност на генератора. За HFSS е настроен на 1 W.

При честота 2 GHz, в съответствие с таблицата, от (7) имаме

P ant = 1(1 – |0,96|²) = 0,07W,

което съответства на изчислената стойност на P isl в таблицата.

Усилването на антената по дефиниция е равно на

Замествайки (7) в (8), получаваме в логаритмичен мащаб

G = 10log(1 – |S 11 |²) + D. (9)

За честота от 2 GHz имаме усилването на антената

G = 10log(1 – |0,96|²) + 3,47 = -7,8 dB.

И така, ние показахме връзката между параметрите на антената за случая без загуби в субстрата.

Нека пренапишем (7) в следния вид:

Анализирайки изчислението на HFSS, виждаме, че при честота от 2 GHz и при други честоти усилването на антената е лошо и, най-важното, има несъответствие на антената (фиг. 12). Експериментът обаче показва, че усилването на антената е значително по-високо, дори без включването на съвпадащи вериги. Какъв е проблема? Оказва се, колкото и да е странно, наличието на загуби в керамичния субстрат помага да се съгласува антената и да се подобри работата на малка антена в сравнение с конвенционална антена, чийто размер е съизмерим с дължината на вълната. Наистина, след като увеличихме загубите до стойността tg = 0.1 (разбира се, нереалистично голяма), чрез изчисление на HFSS, получаваме съвпадащите зависимости, показани на фиг. 13.

Фигура 12. Честотна характеристика на Bluetooth антената с керамични параметри = 34, tg = 0 (без загуби). Фигурата показва, че споразумението е лошо

Фигура 13. Честотна характеристика на Bluetooth антена с керамични параметри = 34, tg = 0,1 (при 2 GHz)

За да изследваме ефективността на антената в зависимост от загубите, изчисляваме зависимостите на характеристиките на антената в корпуса от загубите в керамиката. Керамиката има загуби и изчисленията показват, че ако приемем, че няма загуби, тогава антената има лошо съвпадение; ако има загуби, съвпадението се подобрява.

Мощността P на излъчване се изчислява числено от програмата като сбор от мощностите, попадащи на всички радиационни граници. Тази мощност е по-малка от номиналната мощност на генератора и е само част от нея.

Тъй като в в такъв случайимаме загуби, те се определят като разликата в мощността между случая без загуби, формула (7), и стойността на P емисия. Равенството P iz = P ant вече не е валидно; тези мощности се различават от загубите на мощност в субстрата:

P излъчен = P мравка – P абсорбира. (единадесет)

Замествайки (11) във формула (8), намираме, че усилването на антената, като се вземат предвид загубите в керамиката, се намира по формулата

които могат да бъдат представени във формата

|S 11 |² = 1 – Ktg – G/D, (13)

където K*tg = Pab/Pnom, Kin общ случайне е равно на 1.

От (13) става ясно, че |S 11 |² намалява с увеличаване на загубите и може да се разбере защо съгласуването с антената се постига по-лесно в случай на керамика със загуби.

Фигура 14. Схема на издигане на Bluetooth антенната система

Фигура 15. Азимутална диаграма на излъчване на мобилен телефон с Bluetooth антена

Изчисленията показват, че влиянието на тялото на потребителя върху диаграмата на излъчване на малка антена е много по-малко, отколкото върху диаграмата на излъчване на основната антена на мобилен телефон. Същото може да се каже и за обратния ефект на излъчената мощност на Bluetooth антената върху човешкото тяло.

Експериментално изследване на планарна антена

Експерименталната настройка на антената може да се извърши според критерия за съвпадение и критерия DP. На фиг. Фигура 16 показва измерената честотна характеристика на параметър S11, нанесена върху диаграма на Смит.

Фигура 16: Входен импеданс на антената на шасито, измерен с мрежов анализатор

Тези експериментални измервания бяха извършени на мрежов измервателен уред HP8632.

Експериментално измерване на изместването на резонансната честота на антенната система при екраниране на антената с екран показа, че изместването на резонансната честота, когато антената е поставена в корпуса, е 50 MHz.

Заключение

Статията разглежда характеристиките на моделирането на микролентова антена в Bluetooth система, предназначена за безжична локална комуникация. Разглежда се Bluetooth системата в мобилния телефон. Основната характеристика на антенната система е, че антената работи в силно метализиран корпус, тоест с голяма противотежест. Следователно, за да се изчислят токовете, индуцирани от антената върху повърхността на корпуса, е необходимо да се използва програма за анализ в 3D представяне. HFSS е такава програма. В този случай моделирането на антената заедно с други елементи на корпуса представлява съществена част от целия процес на проектиране на антената и тръбата.

Характеристиките на процеса на моделиране се демонстрират с помощта на примерите на пач антената YCE-5207 от Yocowo, представена от комбинация от правоъгълна метална подложка и микролентова линия върху керамика с висока диелектрична константа с доста сложни форми. Резултатите от конкретния анализ са представени под формата на честотни характеристики на коефициента на отражение, телесни токове, близко поле и модел. Показано е влиянието на елементите на тръбното тяло върху диаграмата на излъчване в далечното поле. Разгледани са както варианти за монтаж на външна, така и вътрешна антена.

Литература

1. Дженифър Брей, Чарлз Стърман. Bluetooth: свързване без кабели. Prentice-Hall, 2001. 495 p.
2. Balanis C.A. Теория на антената: анализ и дизайн, Wiley & Sons. 2-ро издание. 1997 г.
3. Фуджимото К. и Джеймс Дж.Р. (редактори). Наръчник за мобилни антенни системи. 2-ро издание. Артех Хаус. 2001. 710 стр.
4. Кесенич В., Иванов Е., Кондрашов З. Bluetooth: Принципи на конструкция и работа // Chip News. 2001. № 7. стр. 54–56.
5. Калиничев В., Курушин А. Микролентови антени за клетъчни телефони // Chip News. 2001. № 7. С. 6–12.

Проектиране на антени за приложения не са определени или стандартизирани V

Усилването на антената е уникално свързано с усилването, дефинирано като произведение на усилването и ефективността на антената. Обикновено усилването се измерва в децибели спрямо усилването на изотропна антена (dBi). Изотропната антена е антена, която осигурява еднакво излъчване във всички посоки.

Друг важен показател за антените е видът на поляризацията. Поляризацията може да бъде линейна (хоризонтална и вертикална) и елипсовидна, по-специално кръгова. В Bluetooth комуникационните мрежи ще се използват антени, които са многопосочни в хоризонталната равнина с усилване от (0-5) dBi.

Трябва да се отбележи, че за антените важи принципът на реципрочност, според който една и съща антена може да се използва както като предавател, така и като приемник.

В Bluetooth приложенията могат да се използват широко микролентови и печатни антени, които представляват метален проводник с една или друга форма, разположен над заземен субстрат. Такава антена може успешно да се комбинира с печатна платка, върху която са разположени микровълновите стъпала на трансивъра. Трансивърът е свързан към антената в определена точка. В този момент сигналът се отстранява към приемника и захранването се подава от предавателя.

Някои Bluetooth приложения може да използват насочени антени. По-долу са кратки описанияи спецификации на антената за Bluetooth системи от някои производствени компании.

Антени на фирматаRangeStar

P/N100903

Вертикално поляризирана антенаBluetooth(TM)/802.11b

Ориз. 3.13.Външен вид на антена 100903

Антена 100903 е вертикално поляризирана антена с работен честотен диапазон 2400-2483 MHz. Той е много подходящ за интегриране в точки за достъп, настолни и стенни устройства, Мобилни телефони, PC карти, PDA и други Bluetooth приложения. Това е надеждна, проста и без настройка антена. Външният вид на антената, дизайнът и диаграмата на излъчване са показани на фиг. 3.13, 3.14 и 3.15 съответно. Основните характеристики са показани в таблица 3.11.

Ориз. 3.15.

АнтенаBluetooth(TM)/802.11b- P/N100930

100930 е вградена антена за Bluetooth и 802.1 lb системи с работен честотен диапазон 2400-2483 MHz. Може да се интегрира в Точки за достъп, устройства, монтирани на маси и стени, PC карти и други Bluetooth устройства. Външният вид на антената, дизайнът и диаграмите на излъчване са показани на фиг. 3.1673.19. Основните характеристики са обобщени в таблица 3.12.

[С. 3.16. Външен вид на антена 100930

Антени на фирматаКОСАНТ

KOSANT произвежда миниатюрни микролентови антени за Bluetooth. Основните видове антени и техните характеристики са дадени в таблица 3.13.

Таблица 3.13. Основни видове и характеристики на антените KOSANT

Ориз. 3.18.Диаграма на излъчване в азимутална равнина

Пример външен види диаграмите на излъчване за тези антени са показани на фиг. 3.20 -5- 3.22.

Ориз. 3.20.Външен вид на антената

Ориз. 3.19.Габаритни размери на антената

Не. 3.21. Диаграма на излъчване в азимутална равнина

Ориз. 3.22. Диаграма на излъчване в елевационната равнина

Моля, обърнете внимание, че в трансивъра тези антени са монтирани върху заземен екран.

3.8. Инструменти за отстраняване на грешки и разработка на Bluetooth продукти

За да опрости разбирането на технологията, разработването и отстраняването на грешки на продукти, базирани на нея, Ericsson предлага няколко специални инструмента, всеки от които е насочен към определен кръг потребители, разработчици и интегратори. Тези инструменти помагат да се направи разработката на Bluetooth устройства по-евтина, по-рационализирана и по-бърза.

Комплект за начинаещи -Стартов комплект Bluetooth™

Дизайнът на комплекта е показан на фиг. 3.23.

Ориз. 3.23. Стартов комплект за Bluetooth

Описание

Bluetooth Starter Kit предоставя евтина, напълно функционална среда за разработка на приложения за глас и данни.

zhenies, базиран на Bluetooth модула от Ericsson Microelectronics. Комплектът позволява на начинаещи разработчици на Bluetooth безжична технология да създават Bluetooth приложения, спестявайки време за разработка и намалявайки разходите.

Стартовият комплект предоставя гъвкава среда за проектиране, за да могат инженерите да се запознаят с технологията и да започнат развойна работа. Той демонстрира ключовите характеристики на безжичната технология Bluetooth, позволявайки на разработчиците да създават интегрирани приложения за създаване на прототипи.

Комплектът съдържа дънна платкасъс съответстващи конектори и захранващи вериги и дъщерна платка с пълен Bluetooth модул, разположен на платката. С този комплект можете да получите всички функции, необходими за прилагане на безжичната технология Bluetooth.

Комплектът се използва за разработване на базирани на хост приложения и също така предоставя основен Bluetooth софтуер, включително свързани интерфейси за програмиране на приложения (API).

Комплект за разработка -Комплект за разработка на Bluetooth™

Дизайнът на платката е показан на фиг. 3.24.

Ориз. 3.24. Комплект за разработка на Bluetooth

Описание

Одобрен от спец работна група Bluetooth като синя единица, Bluetooth комплектът за разработка на Ericsson Microelectronics прави разработката на Bluetooth приложения по-лесна, по-бърза и по-евтина.

Той осигурява пълна и гъвкава среда за разработка, в която инженерите могат да интегрират отворения безжичен стандарт в набор от цифрови устройства. Осигурявайки достъп до всички хардуерни интерфейси, комплектът се използва за разработване както на вградени, така и на самостоятелни приложения. Комплектът включва софтуерни и хардуерни възможности за отстраняване на грешки, за да направи процеса на проектиране възможно най-бърз и лесен.

Комплект за надгражданеBluetooth - Комплект за надграждане на Bluetooth

Дизайнът на продукта е показан на фиг. 3.25.

Ориз. 3.25. Комплект за надграждане на Bluetooth

Описание

Комплектът за надграждане позволява на собствениците на комплекта за разработка на Bluetooth да го надграждат функционалност. Има няколко различни комплекта за надграждане в зависимост от вашите нужди.

ВерсияR1A

Комплект за надстройка версия R1A осигурява многоточкова комуникация. Организираната мрежа поддържа работата на до седем подчинени устройства, както и превключване между главен/подчинен. Тази версия поддържа протоколите OBEX и TCS.

ВерсияR3B

Комплектът за надграждане R3B е необходим за тестване на синия модул. Този комплект отговаря на техническите изисквания на Bluetooth v.l.Ob. И може да се използва за тестване на Blue Unit според техническите изисквания на Bluetooth v.1.1.

Тази версия поддържа протоколите OBEX и TCS.

Инструментариум за приложение и обучение -Bluetooth приложение иКомплект инструменти за обучение

Дизайнът на продукта е показан на фиг. 3.26.

Описание

Комплектът инструменти за приложение и обучение на Bluetooth е предназначен за училища и университети, за да осигури евтин, удобен практически инструмент за изучаване на безжичната технология Bluetooth. Той е разработен от Ericsson Microelectronics и позволява на студентите да научат както теоретично, така и практически за системата за радиокомуникация на къси разстояния Bluetooth.

Ориз. 3.27. Свързване на модула към компютър чрез USB връзка

Хардуерът се състои от модул, който може лесно да бъде свързан към компютър чрез USB връзка (Фигура 3.27), което гарантира, че се използват пълни скорости на трансфер на данни. Добре дефиниран софтуерен интерфейсприложение (API) осигурява достъп до различни слоеве на протоколния стек.

3.9. Икономични режими на работа на Bluetooth устройства

Точките за достъп, базирани на технологията Bluetooth, ще позволят на новите поколения мобилни устройства да предават големи обеми глас и данни. Обикновено Bluetooth гласовите приложения работят с малки батерии. В същото време системите за предаване на данни могат да работят от мрежови източници. В първия случай най-актуален е икономичният режим на работа. Ефективен начин за пестене на енергия е да намалите времето, през което Bluetooth трансивърът е активен. Спецификациите на основната лента на Bluetooth осигуряват три основни начина за работа в енергоспестяващ режим:

1. Ако подчинено устройство не трябва да участва в piconet, но все пак трябва да бъде синхронизирано, то може да бъде поставено в режим Park. Този режим е подходящ за подчинени устройства, които трябва да комуникират с главния от време на време. Устройства, разположени в това

режим, може да поиска излизане от режим Парк от главния чрез предаване на периодичен сигнал за маяк, предаван от главния. Интервалите между сигналите на маяка могат да бъдат няколко секунди.

Режимът “ВНИМАНИЕ” (Sniff) е подходящ за устройства, които трябва да комуникират с главния периодично на предварително определена честота. В този режим няма гаранция, че устройствата ще бъдат обслужвани при всяка периодична заявка. Режимът Sniff ви позволява да пестите консумация на батерия чрез намаляване на трафика на заявки. Интервалите на душене могат да продължат до няколко секунди.

Режимът "ПАУЗА" (Задържане) е подходящ, когато устройството може от време на време да постави на пауза трафика на повикване. Устройството може да влезе в режим на задържане за предварително определен период от време, за да обработи друга задача, например да участва в работата на друга пиконетка, когато нищо не трябва да се предава за определен период от време, естествено спестявайки енергия.

Освен това, ако капитанът комуникира с известни (преди открити) устройства, тогава когато организирате комуникация, можете да пропуснете процедурата за заявка. Ако подчиненото устройство е в режим „изчакване на повикване“ (Сканиране на страница), тогава времето за изчакване на повикване ще бъде само няколко десетки милисекунди. Това е особено важно, ако главното устройство се захранва от батерия, а подчиненото устройство, което винаги е в режим на изчакване на повикване, се захранва от електрическата мрежа. В този случай консумацията на енергия на устройството ще бъде намалена.

За да избере правилния рентабилен режим на бейсбенд, дизайнерът на хардуера трябва да вземе предвид пропускателната способност, времето за реакция (или латентност) и изискванията за захранване на всяко конкретно приложение. Колкото по-дълго устройството не работи, толкова по-големи са спестяванията на енергия. Един от ограничаващите фактори, който определя колко често устройството трябва да комуникира, е синхронизирането на часовника между главните и подчинените устройства, участващи в piconet. Спецификациите на Bluetooth изискват устройство, работещо в нормален режим в пиконет (в който режим може да бъде достъпно по всяко време), трябва да работи с часовник, който осигурява стабилност от 20 ppm. За да поддържа синхронизиране на piconet, главният трябва да предоставя съобщения за синхронизиране поне на всеки 225 msec. Това определя максималния период между стартиранията в нормален режим.

Използването на енергоспестяващи режими на работа позволява не само да се намали консумацията на енергия на Bluetooth устройствата, но и да се увеличи надеждността на piconet чрез намаляване на смущенията от други безжични устройства. Всеки Bluetooth piconet използва 79 честотни канала. Конфликтите между различни пиконети или между Bluetooth пиконети и други безжични устройства, работещи в същия честотен диапазон, ще бъдат намалени поради факта, че Bluetooth устройствата са пасивни през повечето време, т.е. когато използвате енергоспестяващи режими. Така в случая се спестяват двата най-важни ресурса - честотна лента и захранваща енергия.

Безжичните устройства са много удобни - вече не е нужно да се притеснявате за кабелите, но трябва ясно да разберете, че комуникацията по въздуха има свои собствени ограничения на радиуса. Освен това, колкото по-евтин е например Bluetooth адаптерът, който купувате за вашия компютър, толкова по-малко можете да се отдалечите от него, за да получите стабилна връзка. Разбира се, някои скъпи устройства не винаги дават добри резултати. Днес ще говорим за това как да подсилим Bluetooth сигнала и колко реалистичен е той.

Главна информация

Статията описва някои методи, които включват разглобяване на адаптера, подмяна на частите му или модифициране чрез запояване, което може да не е подходящо за всеки. Ако не разбирате от електроника, не сте много ловки в използването на поялник или устройството ви е в гаранция, избягвайте подобни методи.

Допълване на адаптера

Най-простият, но не и най-ефективният метод за увеличаване на скоростта на Bluetooth е добавянето на рефлектор към адаптера, който ще насочи сигнала в определена посока, вместо да подобри разпространението му на 360 градуса.

Можете да опитате да направите такъв рефлектор от тенекиена кутия за бира, като отрежете горната част и направите още няколко прореза: отгоре надолу и след това леко настрани, сякаш леко отделяте дъното на кутията.

Блутут адаптерът е прикрепен в центъра с каквото пожелаете и се свързва към компютъра с USB адаптер.

Нещо подобно може да се изгради от картон със залепено фолио.

Друг вариант, който може да работи, е да отрежете само горната част на кутията, след това да направите прорез за корпуса към дъното на кутията и да поставите адаптера в него със страната на антената върху него. След това отново го поправяме по удобен за вас метод и го свързваме чрез удължителен кабел.

Модификации

Сега ще говорим за методи, които включват физическа модификация на самия адаптер. В по-евтините едва ли ще намерите външна антена, което всъщност им е проблемът.

Отваряме кутията, ако е възможно, и търсим SMD антената, която е запоена в платката - ще трябва да я разпоите, само много внимателно, без да прегрявате частта.

След това запояваме SMA конектор на мястото на антената, като първо отстраняваме всички ненужни неща: не докосваме частта, в която е завинтена антената, но в другия край отрязваме ръба, отделяме екрана и проводниците, оголете ги, калайдисайте ги и ги запоете.

Ако имате някакви съмнения къде какво точно да запоите, тогава най-добре се обърнете към радиолюбителските форуми.

Сега се свързваме с това, което имаме, антена, която лесно може да бъде усукана от стария Wi-Fi.

Ако имате по-скъпо устройство с външна антена, но все още не сте доволни от сигнала, тогава Hyper gain антената може да спаси ситуацията - купете я, отрежете адаптера за връзка и отделете екрана от ядрото.