Дизайн на антена за приложения не са определени и не са стандартизиранив
Ориз. 3.14. Размери на антената
9 0 5 . Коефициентът на насоченост (DAC) на антената, определен като съотношението на мощността, излъчена в посока на максимума на диаграмата, към стойността на плътността на потока на мощността, осреднена за всички посоки, зависи от типа на диаграмата на излъчване.Коефициентът на усилване на антената е уникално свързан с коефициента на насоченост, който се определя като произведение на коефициента на насочване 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 бива линейна (хоризонтална и вертикална) и елиптична, в частност кръгова. В Bluetooth комуникационните мрежи ще намерят приложение антени, които са всепосочни 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 от една или друга форма, разположен над заземен субстрат. Такава антена може успешно да се комбинира с печатна електронна платка, върху който са разположени микровълновите стъпала на трансивъра. Трансивърът е свързан към антената в определена точка. В този момент сигналът се отклонява 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.
Фирмени антениRange Star
P/N100903
Вертикално поляризирана антенаBluetooth(TM)/802.11b
|
Таблица 3.11. |
|
|
честотен диапазон |
2400-2483 MHz |
|
Максимална печалба | |
|
Поляризация |
Линеен |
|
ширинарадиационни модели |
всепосочен |
|
Комутирана мощност | |
|
Импеданс на захранващата точка | |
|
Размери |
22,0 x 12,7 x 0,8 мм |
Ориз. 3.13.Външен изглед на антената 100903
Антената 100903 е вертикално поляризирана антена с работен честотен диапазон от 2400-2483 MHz. Той е много подходящ за интегриране в точки за достъп, устройства, монтирани на маса и стена, 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, монтирани на маса и стена устройства, 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 изглед на антената 100930
Фирмени антениКОСАНТ
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
|
Честотадиапазон (MHz) |
2400-2500 |
|||||||
|
Усилване (dBi) | ||||||||
|
Поляризация |
Линеен |
Линеен |
Линеен |
Линеен |
Линеен |
Линеен |
Линеен |
Линеен |
|
Импеданс (P) | ||||||||
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.Размери на антената
не. 3.21. Диаграма на излъчване в азимутална равнина
Ориз. 3.22. Схема на посоката в равнината на издигането
Обърнете внимание, че трансивърът има тези антени, монтирани върху заземен щит.
3.8. Помощи за отстраняване на грешки и разработка за базирани на Bluetooth продукти
За да опрости разбирането на технологията, разработката и отстраняването на грешки на продукти, базирани на нея, Ericsson предлага няколко специални инструмента, всеки от които е фокусиран върху определен кръг от потребители, разработчици и интегратори. Тези инструменти помагат за намаляване на разходите, рационализиране и ускоряване на разработването на Bluetooth устройства.
Стартов пакет -Bluetooth® Стартов комплект
Дизайнът на комплекта е показан на фигура 3.23.
Ориз. 3.23. Стартов комплект за Bluetooth
Описание
Bluetooth Starter Kit предоставя евтина и напълно функционална среда за разработка на приложения за глас и данни.
базиран на Bluetooth модула от Ericsson Microelectronics. Комплектът позволява на начинаещите 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 макетни продукти.
Комплектът съдържа дънна платкасъс съвпадащи конектори и захранващи вериги, както и дъщерна платка с пълен Bluetooth модул, разположен на платката. С този комплект можете да получите всички функции, които трябва да внедрите безжична технология Bluetooth.
Комплектът се използва за разработване на приложения, базирани на хост устройство, и също така предоставя основния Bluetooth софтуер, включително съответните интерфейси за програмиране на приложения (Application Programming Interface - 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
одобрени от спец работна група Bluetooth като синя единица, комплектът за разработка на Bluetooth от Ericsson Microelectronics опростява, ускорява и намалява разходите за разработка на Bluetooth приложения.
Той предоставя пълна и гъвкава среда за разработка, в която инженерите могат да интегрират отворен 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. Пакетът 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. 3.26. Bluetooth приложения и комплект инструменти за обучение
Ориз. 3.25. Комплект за надграждане на Bluetooth
Описание
Комплектът за надстройка позволява на собствениците на комплект за разработка на Bluetooth да надстроят своя комплект за разработка на Bluetooth функционалност. Предлагат се няколко различни комплекта за надграждане в зависимост от вашите нужди.
ВерсияR1A
Комплект за надстройка версия R1A осигурява многоточкова (мултиточкова) комуникация. Една организирана мрежа поддържа 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 спецификациите на Bluetooth v.l.Ob. И може да се използва за тестване на Blue Unit според спецификацията на Bluetooth v.1.1.
Тази версия поддържа протоколите OBEX и TCS.
Инструментариум за прилагане и обучение -Bluetooth приложение иКомплект инструменти за обучение
Дизайнът на продукта е показан на фиг. 3.26.
Описание
Комплектът Bluetooth приложения и инструменти за обучение е предназначен за училища и университети и е евтин и удобен инструмент за практически упражнениякогато научавате за безжичната технология Bluetooth. Той е разработен от Ericsson Microelectronics и позволява на студентите да изучават теоретично и практически системата за радиокомуникация с малък обсег на 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 (фиг. 3.27), което гарантира, че се използва пълната скорост на трансфер на данни. Добре дефиниран интерфейс за програмиране на приложения (API) осигурява достъп до различни слоеве на протоколния стек.
3.9. Режими за пестене на енергия за Bluetooth устройства
Точките за достъп, базирани на технологията Bluetooth, ще позволят на новите поколения мобилни устройства да предават големи количества 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-подходящ 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 икономичен режим:
1. Ако подчиненото устройство не трябва да участва в piconet, но все пак трябва да бъде синхронизирано, то може да бъде поставено в режим "ПАРКИНГ" (Park). Този режим е подходящ за подчинени устройства, които трябва да комуникират с главния от време на време. Устройства в това
режим, може да поиска излизане от режим Park от главния чрез предаване на периодичен сигнал за маяк (маяк), предаван от главния. Интервалите между сигналите на маяка могат да бъдат няколко секунди.
Режимът 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 спестява 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 понякога може да спре трафика на повикване. Устройството може да влезе в режим на задържане за предварително определен период от време, за да обработи друга задача, като например да участва в друга piconet, когато нищо не трябва да се предава за определен период от време, естествено спестявайки енергия.
Освен това, ако главният комуникира с известни (по-рано открити) устройства, тогава при установяване на комуникация можете да пропуснете процедурата за заявка. Ако в същото време подчиненото устройство е в режим на „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 работи на батерия, а подчиненото устройство, което 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 икономичен режим на бейсбенд, дизайнерът на хардуера трябва да вземе предвид честотната лента, времето за реакция (или латентност) и изискванията за захранване на всяко конкретно приложение. Колкото по-дълго устройството остава неактивно, толкова по-големи са спестяванията на енергия. Един от ограничаващите фактори, който определя колко често устройството трябва да комуникира, е условието за синхронизация на часовника между главните и подчинените устройства, участващи в piconet. Спецификациите на Bluetooth изискват устройство, работещо в нормален режим в пиконет (в този режим може да бъде достъпно по всяко време) да работи с часовник, който осигурява стабилност от 20 pps. За да поддържа синхронизиране на piconet, главният трябва да предоставя съобщения за синхронизиране поне на всеки 225 ms. Това определя максималния период между включването в нормален режим.
Използването на енергоспестяващи режими на работа не само намалява консумацията на енергия от Bluetooth устройствата, но също така повишава надеждността на piconet чрез намаляване на смущенията от други безжични устройства. Всеки Bluetooth piconet използва 79 честотни канала. Сблъсъците между различни пиконети или между Bluetooth пиконети и други безжични устройства, работещи в същия честотен регион, ще бъдат намалени, като поддържат Bluetooth устройствата пасивни през повечето време, т.е. когато използвате режими за пестене на енергия. Така в случая се спестяват двата най-важни ресурса - честотната лента и енергията на захранването.
Безжичните устройства са много удобни - вече не е нужно да се притеснявате за кабелите, но трябва ясно да разберете, че комуникацията "по въздуха" има своите определени ограничения в 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 се отказват хубави резултати. Днес ще говорим за това как да усилим Bluetooth сигнала и колко реалистичен е той.
Главна информация
Статията описва някои методи, които включват разглобяване на адаптера, подмяна на неговите части или модифициране чрез запояване, което може да не е подходящо за всеки. Ако не разбирате електрониката, не сте много пъргав с поялника или устройството ви е в гаранция, тогава, моля, избягвайте тези методи.
Допълване на адаптера
Най-простият, но не и най-ефективният начин за увеличаване на скоростта на Bluetooth може да се счита за добавяне на адаптер с рефлектор, който ще насочва сигнала в определена посока, вместо да усилва разпространението му на всички 360 градуса.
Можете да опитате да направите такъв рефлектор от кутия бира, като отрежете горната й част и направите още няколко разреза: отгоре надолу и след това от него малко настрани, сякаш леко отделяте дъното на кутията .
Блутут адаптерът се монтира 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 буркана, след това да направите прорез за кутията по-близо до дъното на буркана и да поставите адаптера в него със страната, на която е антената. След това отново го оправяме по удобен за вас метод и го свързваме чрез удължител.
Модификации
И 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 към платката - ще трябва да я разпоите, само много внимателно, без да прегрявате частта.
След това запояваме SMA конектора на мястото на антената, преди това премахваме всичко излишно: не докосваме частта, в която е завинтена антената, но от другия край отрязваме ръба, отделяме екрана и ядрата , оголване, калайдисване и запояване.
Ако имате някакви съмнения къде точно да запоявате, най-добре е да се свържете с радиолюбителските форуми.
Сега се свързваме с това, което имаме, антена, която може безопасно да бъде усукана от стария Wi-Fi.
Ако имате по-скъпо устройство, което вече е с външна антена, но все още не сте доволни от сигнала, тогава антената Hyper gain може да спаси ситуацията - купете я, отрежете адаптера за връзка и споделете екрана с ядрото.
Сега доста често пускат смартфони, телефони или комуникатори с вграден Wi-Fi адаптер. И обхватът на Wi-Fi е около сто метра, но телефоните, които са оборудвани с Bluetooth, предават и получават файлове само на разстояние не повече от десет метра. Ако имате USB-blutooth за вашия компютър, както и телефон с bluetooth, но искате да постигнете увеличаване на обхвата на приемане. Всичко това е напълно възможно, но usb-bluetooth трябва да се подобри.
Е, да започваме. Ние разглобяваме bluetooth адаптера за компютъра, след което трябва да отстраните грешки в кутията на bluetooth и много внимателно да проверите адаптерната платка.
Във всички модели адаптери в края на платката има меден контакт, който прилича на спирала, на снимката е номер 1. Тази спирала е bluetooth антена и към нея ще бъде запоена допълнителна домашна антена.
Имаме нужда от едножилен меден проводник с диаметър от 0,4 до 0,8 mm. Жицата е покрита с лакова изолация и не е необходимо да се отървете напълно от нея. Ние усукваме жицата, както е показано на снимката, след което ще обработим върха на медната жица с колофон, след това с калай. Същата процедура трябва да се извърши с медна спирала в bluetooth, не прегрявайте адаптерната платка, извършвайте цялата работа много внимателно.
След това трябва да направите дупка в самия корпус за bluetooth адаптера, в изходната точка на домашната антена. Сега много внимателно затворете дъската в кутията. Така модернизираният bluetooth е готов, което дава увеличение на обхвата на приемане от 4 пъти.
За да увеличите допълнително обхвата на приемане, можете да вземете многожилен достатъчно дълъг проводник, който ще бъде покрит с изолация, трябва да оголите върха и да го прикрепите към антената, вторият връх може да бъде прикрепен към малък карамфил, забит в стената.
Планарни антенни системи BlueTooth 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 числения анализ на антената в случая е използвана програмата HFSS. За конкретни слушалкаНаправени са изчисления: разпределение на тока по повърхността на метал, покрит с диелектрик, корпус на телефона, 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 фотоапарати и видеокамери и множество други цифрови устройства (фиг. 1), често свързани помежду си и с настолни компютри, създаде проблема с връзката им.
Фигура 1. Комуникационна система с малък обсег, използваща безжична технология Bluetooth
Кабелът стана неудобен - трябва да се свързвате често, размерите на самия кабел с конектори са почти по-големи от самото устройство и т.н. На този фон рязко се увеличи значението на безжичните локални технологии WLAN (Wireless Local Area Networking), осигуряващи безконтактно свързване на устройството към диска на хост компютъра.
В резултат на това беше предложена система, която започна бързо да се развива. безжична комуникация Bluetooth (фиг. 1). В радиочестотния спектър има 79 канала в обхвата 37 MHz (приблизително 2 MHz всеки) в обхвата 2,4465-2,4835 GHz.
същност Bluetooth стандартв оборудването електронни устройстватрансивъри, работещи на честота 2,45 GHz, с обхват до 10 m и скорост на предаване на информация до 1 Mbps. Възможностите за използване на тези устройства са наистина безкрайни. Безжични слушалки, мишки, клавиатури, връзка мобилни телефонии лаптопи, обмен на информация между джобни компютри - просто не изброявам.
Bluetooth системата работи в разрешената честотна лента от 2,45 GHz (ISM - лента за индустрия, наука, медицина), което ви позволява свободно да използвате 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 според псевдослучаен алгоритъм. За разделяне на приемните и предавателните канали се използва времево разделение (фиг. 2). Поддържа се синхронен и асинхронен трансфер на данни и е осигурена интеграция с TCP/IP. Времевите интервали са синхронизирани за предаване на пакети, всеки от които се предава на собствена радиочестота.
Фигура 2 Алтернативна комуникация между инструмент A и инструмент 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 стандарта локални мрежи IEEE 802.
Основният принцип на изграждане на Bluetooth системи е използването на честотно разпръскване на спектъра (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Целият честотен диапазон от 2,402 ... 2,480 GHz, разпределен за Bluetooth радиокомуникация, 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 преплитане на честотите позволява на въздушния интерфейс на Bluetooth да излъчва информация през целия ISM обхват и да избягва смущения от устройства, работещи в същия обхват. Ако този канале шумен, тогава системата ще превключи на друг и това ще продължи, докато се намери канал без смущения.
Простотата на структурата допринесе много за бързото стартиране на Bluetooth системата. Състои се от радиомодул-предавател, комуникационен контролер (известен още като процесор) и управляващо устройство, което реално реализира Bluetooth протоколите от горно ниво, както и интерфейс с крайно 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 поддържат функциите му централни процесоримощни крайни устройства (например лаптопи).
В допълнение, интегрални схеми, използвани в други приложения, се използват в Bluetooth устройства, тъй като микровълновият диапазон от 2 GHz е овладян доста добре и е вграден в Bluetooth технически решениясами по себе си не са особено нови. Всъщност модулационната схема е широко разпространена, технологията за разпространение на спектъра със скокове на честотата е добре развита и мощността е ниска.
Ключът към успеха на Bluetooth технологията е радиопредавателят. Ниска ценаи ниската мощност бяха основните съображения както при прилагането на спецификациите на интерфейса (къса въздушна радио връзка), така и при проектирането на трансивъра. Bluetooth технологията прави възможно създаването на приемо-предавател с един чип чрез комбиниране на радиочестотна схема и схема за обработка на цифрови потоци в един силиконов чип.
Bluetooth трансивър
Bluetooth трансивърът може да бъде разделен на три функционални блока (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 всепосочна и да има коефициент на усилване 0 dBi, присъствието на потребителя не трябва да влияе върху 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 да реализира прости и стабилни приемници и некохерентно откриване, Bluetooth използва двоично кодиране на честотното изместване (FM, FSK), с импулс на Гаус около честотния скок, със скорост от 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 е труден за работа при превключване на честотите 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 честотна лента от 1 MHz и има 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 предприемат стъпки за предотвратяване на взаимодействието на инструмента. Обикновено Bluetooth приемник е изграден с преобразуване надолу (тоест, когато каналът на изображението попада в IF обхвата). За отделяне на редица работещи Bluetooth системи, блокиращите фактори за огледален каналтрябва да бъде 20, 30 и 40 dB за първия, втория и третия съседни канали.
Поради естеството на работа 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 от -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 от формулата за чувствителност
P min = -174 dBm + NF + 10lgB + a + K m , (1)
където -174 dBm е мощността на топлинния шум (kTB) в лента от 1 Hz в нормална температура; NF - шумов коефициент, dB; B - честотна лента преди демодулатора, 1 MHz; a - праг на реакция, a = 3 dB; K m - коефициент в зависимост от вида на модулацията.
В сравнение с нивото на шума, постигнато до момента, което е доста под 13 dB, това изглежда доста лоша стойност. Въпреки това, това ниско изискване позволява използването на евтини компоненти със загуби и осигурява защита срещу смущаващи сигнали (прекъсване в субстрата и захранващото окабеляване).
Изчисляване на динамичния обхват на Bluetooth приемника
Горната граница на динамичния диапазон може да се оцени от нивото на продукта на интермодулационното 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 в разглеждания радиоканал с честота f 0 . Нивото на мощност на продукта P IM3 зависи от входната 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)
Динамичният диапазон без изкривяване се определя от условието, че изкривяванията от линеен и нелинеен произход еднакво влияят на изкривяването в демодулатора и еднакво влошават откриването на собствения 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 в израз (2) се получава, като се приеме, че интермодулационният продукт PIM3 е равен на чувствителността на приемника, двата смущаващи сигнала имат мощност 0 dBm и смущението присъства на разстояние 1 м.
Комбинирайки стойността на IP3 = -16 dBm с чувствителността на приемника Pmin = -70 dBm, от (1) и (2) получаваме, 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)
Блокът на предавателя също е доста прост. Двоичната GFSK модулация се получава чрез директна модулация на FM локалния осцилатор. Следователно не са необходими допълнителни фазови преобразувания. Сигналът на основната лента се филтрира с филтър на Гаус, така че да се запази ширината на спектъра от 1 MHz, необходима за FM системи, работещи в ISM обхвата 2,45 GHz. Модулацията на гаусовата обвивка не налага 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 затворена верига.
Изчисляване на обхвата на мобилен телефон в Bluetooth система
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 - максимум ефективна площприемаща 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 максималния радиообхват, при условие че антените са насочени една към друга,
където P n.min - чувствителност 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 eff.m = 25 10 -6 (5 на 5 mm), получаваме r m = 3 m.
Тази стойност се доближава до изискванията на Bluetooth системата и може Начална точкаизчисляване на геометрията на антената, тъй като останалите характеристики се определят от стандарта за приемо-предавателния чип.
Антени за Bluetooth (преглед на производителите и решенията)
Няколко фирми 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, използвайки 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), не е чувствително към местоположението на периферните части, може да се направи като високопроизводителна кристална Bluetooth антена и е лесна за използване.
Фигура 4. Изглед на антената Hitachi Metals за Bluetooth
Antek Wireless Inc. разработи нова 2,4 GHz антена с оригинален дизайн, която осигурява ефективност, надвишаваща почти всички спецификации на проекта, малка е и може да се инсталира в почти всяко устройство. Антената е приложима за различни приложениякато 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 се разви вътрешна антена PIFA или варианти на плоска антена за използване в преносими компютри, използващи Bluetooth технология. Новата антена позволява на производителите на компютри да разработват преносими устройства, с които лесно да комуникират преносими телефонии системи за съобщения, свържете се с интернет на високи скоростипредаване на данни.
Murata Manufacturing Co. стартира производство и продажба на вградени диелектрични антени за лаптопи, използващи Bluetooth технология (фиг. 5). Размерите на модула на новата серия G2 са 15x5.8x7.0 mm.
Фигура 5. Чип антена ANCG22G41 Murata
Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. ООД Представя 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 следните: 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 с размери 7 мм на 7 мм за използване в Bluetooth продукти. 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 при по-големи мобилни устройства, като лаптопи, където заземяването е извършено към корпуса на устройството. Мобилните телефони изискват разработването на полувълнови антени.
Фигура 7. 3D изглед на Bluetooth антена в метализиран калъф за мобилен телефон (чертеж в HFSS)
Конфигурация на антената от е-тип
Преди това антените имаха две основни конфигурации: F-тип обратна едностранна антена и плоска антена.
Една обърната F антена има една страна отворена, а другата страна е 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 трябва да се внимава при проектирането на разположението на периферните компоненти.
В допълнение, 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 F-тип обратна антена, но включва заземителни електроди от двете страни и е добавен централен, конусообразен електрод. С други думи, новата конфигурация на E-Type Electrode, изобретена от Hitachi Metals, може да бъде допълнително миниатюризирана и не влияе значително на 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, дава възможност да се идентифицират основните параметри на антената, включени в спецификацията на антената, въз основа на които е възможно да се избере метод за проектиране на мобилен телефон с такава антена.
Технически изисквания за антена 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:
- изчисляване на съвпадащата структура между входа на филтъра и точката на захранване 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 наши дни това често се осъществява чрез боядисване на отделни части на корпуса с проводяща 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
Прегледът на съществуващите антени за Bluetooth системата показва, че те имат метални форми със сложна конфигурация, отложени върху една или повече 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 - дадена резонансна честота; е относителната диелектрична проницаемост на материала на субстрата. Тази формула не взема предвид ефекта от ширината на субстрата на антената и дебелината на субстрата върху резонансната честота, но този ефект обикновено е незначителен. Формула (1) отразява физическата природа на печатната антена (фиг. 9) като полувълнов резонатор, който се образува в пространството между горния проводник и заземената равнина 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 антена 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 четвъртвълнов резонатор, чийто един край е заземен, а другият отворен (неактивен). PIFA (фиг. 3) се управлява от коаксиална линия в точка, където входният импеданс на антената е близо до 50 ома. Така че дължината на PIFA може грубо да се оцени 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 крайното близко поле, концентрирано в отворения край на резонатора.
Размерът на E-антената, тъй като е навита от двете страни, може грубо да се оцени като
Тъй като антените за Bluetooth системата са в полузатворен екран със сложна форма, производителността на антенната система може да се различава значително от производителността, изчислена по теоретични формули. В този случай параметрите на антената (размерите на проводниците и разстоянието между тях по височина) 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 полето на програмата HFSS)
Обърнете внимание, че предимството на малкия размер на PIFA антената се постига чрез намаляване на нейната излъчвателна способност (излъчва само един ръб), освен това PIFA антените обикновено са теснолентови.
Числени методи за проектиране на планарни антени
Антените са основните градивни елементи на всички радиокомуникационни системи и използват свободно пространство като носеща среда. Те се използват за свързване на предавател или приемник в свободно пространство.
Антените имат номер важни параметри, от които най-голям интерес представляват усилването, диаграмата на излъчване, честотната лента и поляризацията.
Модерният дизайн на антени за клетъчни телефони (фиг. 11) се основава на симулация на електромагнитни явления на компютър, като се използват като изходни данни резултатите, получени въз основа на предварителни изчисления 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. Материалът 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 извършат изчислителни изследвания, които да покажат зависимостта на характеристиките на антенната система от определени елементи на структурата на телефона.
Отбелязваме следните характеристики на микролентовите антени:
- микролентовите антени са по-тесни от спираловидните;
- микролентовите антени лесно прилагат кръгова поляризация, в сравнение с преобладаващата вертикална поляризация на спиралните антени;
- Микролентовите антени имат по-неравномерен модел на излъчване в азимутната равнина от спиралните и вибраторните, поради тяхната асиметрия спрямо вертикалната ос.
Както вече беше отбелязано, керамичната антена е 3D структура, върху повърхността на всяка страна на която са поставени метални проводници с определена форма. Този дизайн може да има една или повече точки на възбуждане. В тези точки към антената се прилага напрежение на възбуждане, което индуцира радиационни токове в структурата. Точките на възбуждане могат да бъдат свързани чрез балансиращ трансформатор (балун).
В допълнение към точките на възбуждане, отпечатаната антена може да има точки за заземяване (връзка към заземителната равнина). Токовете, индуцирани в тази сложна структура, оформят диаграмата на излъчване и прилагат други характеристики на антената, необходими за установяване на комуникация с 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 Ohm, 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 антената ще работи с добра координация с околното пространство в работния честотен диапазон. Стойността от -20 dB показва, че мощността на генератора ще бъде погълната почти без отражение от антената, която от своя страна е натоварена със свободно пространство. Антената е трансформатор между изхода на усилвателя на мощността (или входа на усилвателя с нисък шум) и свободното пространство, чийто 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 антените обикновено се интересуват от секциите на диаграмата на излъчване в две взаимно перпендикулярни равнини: азимут и кота. Азимуталната RP определя способността на антената да излъчва в хоризонтална равнина, кота RP - във вертикална. И двата модела са важни за клетъчен телефон, но първият определя многопосочността и е по-уместен за оценка на полеви емисии. Параметрите на насоченост на печатната антена или нейните модификации не трябва да бъдат по-лоши от тези на съществуващите спираловидни антени.
Изчисляване на характеристиките на излъчване на Bluetooth антена
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 анализираме причините за тези различия.
Таблица. Мощност, излъчвана от антената, насоченост, усилване и големина при отсъствие на загуби в субстрата (диелектричен тангенс = 0). Номиналната мощност на генератора на входа (порта) е 1 W
| F Честота | П изл Излъчена мощност, изчисление, W (изчислена сума от мощностите през равнините на излъчване) |
D Насоченост, dB (изчисление за HFSS) | G Gain, dB = P izl / P ном | S 11 Изчисление на HFSS | 20 logS 11 dB |
| 2 | 0,07 | 3,47 | -7,8 | 0,96 | -0,5 |
| 2,2 | 0,15 | 2,87 | -5,4 | 0,92 | -1 |
| 2,4 | 0,3 | 2,5 | -2,7 | 0,83 | -2 |
| 2,6 | 0,47 | 2,6 | -0,6 | 0,73 | -3 |
| 2,8 | 0,08 | 2,8 | -8,3 | 0,96 | -0,4 |
| 3 | 0,02 | 3,8 | -12,3 | 0,99 | -0,2 |
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 намираме връзката на параметрите на таблицата.
Rad се изчислява от програмата HFSS за цялата радиационна граница. Цялата сила, преминала през стените, които маркират границата на далечното поле, се сумира и дава този P rad.
Ако субстратът и проводниците са без загуби, тогава цялата мощност, която е дошла до антената, се излъчва, тоест P rad. = P ant и тази мощност, която дойде до антената и след това излъчена, се определя от своя страна от несъответствието:
P izl \u003d P ant \u003d P nom (1 - | S 11 | ²), (7)
където Pnom е номиналната мощност на генератора. Въз основа на HFSS, той е настроен на 1 W.
При честота 2 GHz, в съответствие с таблицата, от (7) имаме
P ant \u003d 1 (1 - | 0,96 | ²) \u003d 0,07W,
което съответства на изчислената стойност P изл в таблицата.
Усилването на антената по дефиниция е,
Замествайки (7) в (8), получаваме в логаритмичен мащаб
G \u003d 10lg (1 - | S 11 | ²) + D. (9)
За честота от 2 GHz имаме усилването на антената
G \u003d 10lg (1 - | 0,96 | ²) + 3,47 \u003d -7,8 dB.
И така, ние показахме свързването на 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 е, че има несъответствие на антената (фиг. 12). Експериментът обаче показва, че усилването на антената е много по-високо, дори и 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, чиито размери са съизмерими с дължината на вълната. Наистина, чрез увеличаване на загубите до tg = 0.1 (разбира се, нереалистично големи), чрез изчисление на HFSS, получаваме съвпадащите зависимости, показани на фиг. 13.
Фигура 12. Честотна характеристика на Bluetooth антена с керамични параметри = 34, tg = 0 (без загуби). От фигурата се вижда, че споразумението е лошо.
Фигура 13. Честотна характеристика на Bluetooth антената при керамични параметри = 34, tg = 0,1 (при 2 GHz)
За да изследваме ефективността на антената като функция на 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 izl се изчислява числено от програмата като сума от мощностите, падащи на всички радиационни граници. Тази мощност е по-малка от номиналната мощност на генератора и е само част от нея.
Тъй като в този случай имаме загуби, те се определят като разликата в мощността между случая без загуби, формула (7), и стойността на P rad. Равенството P izl = P ant вече не е валидно, тези мощности се различават по мощността на загубите в субстрата:
P izl \u003d P ant - P абсорбция. (единадесет)
Замествайки (11) във формула (8), получаваме, че печалбата на антената, като се вземат предвид загубите в керамиката, се намира по формулата
които могат да бъдат представени във формата
|S 11 |² \u003d 1 - Ktg - G / D, (13)
където K * tg \u003d P deep / P nom, K в общия случай не е равно на 1.
Може да се види от (13), че |S 11 |² намалява с увеличаване на загубите и може да се разбере защо съгласуването с антената се постига по-лесно за случая на керамика със загуби.
Фигура 14. Схема на издигане на Bluetooth антенната система
Фигура 15. Азимутална диаграма на излъчване на мобилен телефон с Bluetooth антенна система
Изчисленията показват, че влиянието на тялото на потребителя върху диаграмата на излъчване на малка антена е много по-малко, отколкото върху RP 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 съгласуване и според критерия RP. На фиг. 16 показва измерената честотна характеристика на параметър S11, нанесена върху диаграма на Смит.
Фигура 16. Входен импеданс на антената, измерен с мрежов анализатор в корпуса
Тези експериментални измервания са направени на измервателния уред HP8632.
Експериментално измерване на отклонение резонансна честотаантенна система при екраниране на антената с екран показа, че дрейфът 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. основна характеристикаработа на антенната система - работата на антената в силно метализиран корпус, т.е. с голяма противотежест. Следователно, за да се изчислят токовете, индуцирани от антената върху повърхността на корпуса, е необходимо да се използва програмата за анализ в 3D представяне. Такава програма е HFSS. В този случай моделирането на антената, заедно с други елементи на корпуса, е съществена част от целия процес на проектиране на антената и тръбата.
Характеристиките на процеса на моделиране се демонстрират с помощта на пач антената Yocowo YCE-5207, която е комбинация от правоъгълна метална подложка и микролентова линия върху керамика с голяма диелектрична константа с доста сложни форми. Резултатите от конкретен анализ са представени като честотни характеристикикоефициент на отражение, корпусни токове, близко поле и DN. Показано е влиянието на елементите на корпуса на тръбата върху диаграмата на излъчване в далечната зона. Разглеждат се варианти за монтаж на външна и вътрешна антена.
Литература
- Дженифър Брей, Чарлз Стърман. Bluetooth: свързване без кабели. Prentice-Hall, 2001. 495 p.
- Balanis C.A. Теория на антената: анализ и дизайн, Wiley & Sons. 2-ро издание. 1997 г.
- Фуджимото К. и Джеймс Дж.Р. (редактори). Наръчник за мобилни антенни системи. 2-ро издание. Артех къща. 2001. 710 стр.
- Кесених В., Иванов Е., Кондрашов З. Bluetooth: принципи на изграждане и работа // Chip News. 2001. № 7. С. 54–56.
- Калиничев В., Курушин А. Микролентови антени за клетъчни телефони // Chip News. 2001. № 7. С. 6–12.