Návrh antény pre aplikácie nie sú definované a nie sú štandardizované v
Ryža. 3.14. Rozmery antény
9 0 5 . Faktor smerovosti (DAC) antény, definovaný ako pomer vyžarovaného výkonu v smere maxima obrazca, k hodnote hustoty toku výkonu spriemerovanej zo všetkých smerov, závisí od typu vyžarovacieho obrazca.Zisk antény jednoznačne súvisí s faktorom smerovosti, ktorý je definovaný ako súčin smerného faktora a účinnosti antény. Zvyčajne sa zisk meria v decibeloch vzhľadom na zisk izotropnej antény (dBi). Izotropná anténa je anténa, ktorá poskytuje rovnaké žiarenie vo všetkých smeroch.
Ďalším dôležitým ukazovateľom antén je typ polarizácie. Polarizácia je lineárna (horizontálna a vertikálna) a eliptická, v konkrétnom prípade kruhová. V Bluetooth komunikačných sieťach nájdu uplatnenie antény všesmerové v horizontálnej rovine so ziskom (0-5) dBi.
Treba poznamenať, že pre antény platí zásada reciprocity, podľa ktorej môže byť rovnaká anténa použitá ako vysielač aj ako prijímač.
V aplikáciách Bluetooth môžu byť široko používané mikropáskové a tlačené antény, ktoré sú kovovým vodičom tej či onej formy, umiestneným nad uzemneným substrátom. Takáto anténa sa dá úspešne kombinovať s vytlačená obvodová doska, na ktorom sú umiestnené mikrovlnné stupne transceivera. Transceiver je pripojený k anténe v určitom bode. V tomto bode je signál presmerovaný do prijímača a napájanie je dodávané z vysielača.
Niektoré aplikácie Bluetooth môžu používať smerové antény. Nižšie sú uvedené krátke popisy a špecifikácie antén pre systémy Bluetooth od niektorých výrobných spoločností.
Firemné antényRange Star
P/N100903
Vertikálne polarizovaná anténaBluetooth(TM)/802.11b
|
Tabuľka 3.11. |
|
|
rozsah frekvencie |
2400-2483 MHz |
|
Maximálny zisk | |
|
Polarizácia |
Lineárne |
|
šírka vzory žiarenia |
všesmerový |
|
Spínaný výkon | |
|
Impedancia prívodného bodu | |
|
Rozmery |
22,0 x 12,7 x 0,8 mm |
Ryža. 3.13. Vonkajší pohľad na anténu 100903
Anténa 100903 je vertikálne polarizovaná anténa s prevádzkovým frekvenčným rozsahom 2400-2483 MHz. Je vhodný na integráciu do prístupových bodov, stolových a nástenných zariadení, mobilných telefónov, PC kariet, PDA a iných aplikácií Bluetooth. Ide o spoľahlivú, jednoduchú anténu bez ladenia. Vzhľad antény, dizajn a vyžarovací diagram sú znázornené na obr. 3,13, 3,14 a 3,15. Hlavné charakteristiky sú uvedené v tabuľke 3.11.
Ryža. 3.15.
AnténaBluetooth(TM)/802.11b- P/N100930
100930 je vstavaná anténa pre Bluetooth a 802,1 lb systémy s prevádzkovým frekvenčným rozsahom 2400-2483 MHz. Dá sa integrovať do prístupové body, stolové a nástenné zariadenia, PC karty a ďalšie zariadenia Bluetooth. Vzhľad antény, dizajn a vyžarovacie diagramy sú znázornené na obr. 3.1673.19. Hlavné charakteristiky sú zhrnuté v tabuľke 3.12.
[S. 3.16. Vonkajší pohľad na anténu 100930
Firemné antényKOSANT
KOSANT vyrába miniatúrne mikropásikové antény pre Bluetooth. Hlavné typy antén a ich charakteristiky sú uvedené v tabuľke 3.13.
Tabuľka 3.13. Hlavné typy a vlastnosti antén KOSANT
Ryža. 3.18. Vzor žiarenia v azimutálnej rovine
|
Frekvenciarozsah (MHz) |
2400-2500 |
|||||||
|
Zisk (dBi) | ||||||||
|
Polarizácia |
Lineárne |
Lineárne |
Lineárne |
Lineárne |
Lineárne |
Lineárne |
Lineárne |
Lineárne |
|
Impedancia (P) | ||||||||
Príklad vzhľad a vzory žiarenia pre tieto antény sú znázornené na obr. 3,20 -5- 3,22.
Ryža. 3.20. Vzhľad antény
Ryža. 3.19. Rozmery antény
nie. 3.21. Vzor žiarenia v azimutálnej rovine
Ryža. 3.22. Smerový vzor v rovine elevácie
Všimnite si, že transceiver má tieto antény namontované na uzemnenom štíte.
3.8. Pomôcky na ladenie a vývoj produktov s technológiou Bluetooth
Na zjednodušenie pochopenia technológie, vývoja a ladenia produktov na nej založených ponúka Ericsson niekoľko špeciálnych nástrojov, z ktorých každý je zameraný na špecifický okruh používateľov, vývojárov a integrátorov. Tieto nástroje pomáhajú znížiť náklady, zefektívniť a urýchliť vývoj zariadení Bluetooth.
Sada pre začiatočníkov -Štartovacia súprava Bluetooth®
Dizajn zostavy je znázornený na obrázku 3.23.
Ryža. 3.23. Bluetooth Starter Kit
Popis
Bluetooth Starter Kit poskytuje lacné a plne funkčné vývojové prostredie pre hlasové a dátové aplikácie.
založené na module Bluetooth od Ericsson Microelectronics. Súprava umožňuje začínajúcim vývojárom bezdrôtovej technológie Bluetooth vytvárať aplikácie Bluetooth, čím šetrí čas na vývoj a znižuje náklady.
Starter Kit poskytuje flexibilné dizajnérske prostredie pre inžinierov, aby sa zoznámili s technológiou a začali s vývojovými prácami. Demonštruje kľúčové vlastnosti bezdrôtovej technológie Bluetooth, čo umožňuje vývojárom vytvárať integrované aplikácie pre produkty na pečenie.
Sada obsahuje základná doska so zodpovedajúcimi konektormi a napájacími obvodmi, ako aj dcérska doska s úplným modulom Bluetooth umiestneným na doske. S touto sadou môžete získať všetky funkcie, ktoré potrebujete na implementáciu bezdrôtová technológia bluetooth.
Súprava sa používa na vývoj aplikácií založených na hostiteľskom zariadení a tiež poskytuje základný softvér Bluetooth vrátane zodpovedajúcich rozhraní pre programovanie aplikácií (Application Programming Interface - API).
Vývojová súprava -Vývojová súprava Bluetooth™
Dizajn dosky je znázornený na obr. 3.24.
Ryža. 3.24. Vývojová súprava Bluetooth
Popis
schválený špeciál pracovná skupina Bluetooth ako modrá jednotka, vývojová súprava Bluetooth od spoločnosti Ericsson Microelectronics zjednodušuje, zrýchľuje a znižuje náklady na vývoj aplikácií Bluetooth.
Poskytuje kompletné a flexibilné vývojové prostredie, kde môžu inžinieri integrovať otvorený bezdrôtový štandard do radu digitálnych zariadení. Sada poskytuje prístup ku všetkým hardvérovým rozhraniam a používa sa na vývoj vstavaných aj samostatných aplikácií. Sada obsahuje funkcie na ladenie softvéru a hardvéru, aby bol proces návrhu čo najrýchlejší a najjednoduchší.
Súprava na upgradeBluetooth – súprava na aktualizáciu Bluetooth
Dizajn výrobku je znázornený na obr. 3.25.
Ryža. 3.26. Súprava aplikácií a tréningových nástrojov Bluetooth
Ryža. 3.25. Súprava na inováciu Bluetooth
Popis
Upgrade Kit umožňuje majiteľom Bluetooth Development Kit upgradovať ich Bluetooth Development Kit funkčnosť. V závislosti od vašich potrieb je k dispozícii niekoľko rôznych súprav na aktualizáciu.
VerziaR1A
Upgrade Kit verzia R1A poskytuje viacbodovú (viacbodovú) komunikáciu. Organizovaná sieť podporuje až sedem slave zariadení, ako aj prepínanie master / slave. Táto verzia podporuje protokoly OBEX a TCS.
VerziaR3B
Na testovanie modrej jednotky je potrebná súprava na aktualizáciu R3B. Táto súprava vyhovuje špecifikáciám Bluetooth v.l.Ob. A môže byť použitý na testovanie Blue Unit podľa špecifikácie Bluetooth v.1.1.
Táto verzia podporuje protokoly OBEX a TCS.
Sada nástrojov pre aplikáciu a učenie -Aplikácia Bluetooth &Súprava tréningových nástrojov
Dizajn výrobku je znázornený na obr. 3.26.
Popis
Súprava Bluetooth Application & Training Tool Kit je určená pre školy a univerzity a je to lacný a pohodlný nástroj pre praktické cvičenia pri učení sa o bezdrôtovej technológii Bluetooth. Bol vyvinutý spoločnosťou Ericsson Microelectronics a umožňuje študentom vysokých škôl teoreticky aj prakticky študovať rádiový komunikačný systém krátkeho dosahu Bluetooth.
Ryža. 3.27. Pripojenie modulu k počítaču pomocou USB pripojenia
Hardvér pozostáva z modulu, ktorý je možné jednoducho pripojiť k počítaču pomocou USB pripojenia (obr. 3.27), čím sa zabezpečí využitie plnej rýchlosti prenosu dát. Dobre definované aplikačné programové rozhranie (API) poskytuje prístup k rôznym vrstvám zásobníka protokolov.
3.9. Režimy úspory energie pre zariadenia Bluetooth
Prístupové body založené na technológii Bluetooth umožnia novým generáciám mobilných zariadení prenášať veľké množstvo hlasu a dát. Hlasové aplikácie Bluetooth zvyčajne bežia na malých batériách. Systémy prenosu údajov môžu zároveň fungovať zo sieťových zdrojov. V prvom prípade je najdôležitejší ekonomický režim prevádzky. Efektívnym spôsobom šetrenia energie je skrátenie doby, počas ktorej je Bluetooth vysielač aktívny. Špecifikácie základného pásma Bluetooth poskytujú tri hlavné spôsoby prevádzky v ekonomickom režime:
1. Ak sa podriadené zariadenie nepotrebuje podieľať na pikonete, ale je potrebné ho synchronizovať, možno ho prepnúť do režimu „PARKOVANIE“ (parkovanie). Tento režim je vhodný pre slave zariadenia, ktoré potrebujú z času na čas komunikovať s masterom. Zariadenia v tomto
režim, môže požiadať o ukončenie parkovacieho režimu od mastera vysielaním periodického signálu majáku (maják) vysielaného masterom. Intervaly medzi signálmi majákov môžu byť niekoľko sekúnd.
Režim Sniff je vhodný pre zariadenia, ktoré potrebujú pravidelne komunikovať s masterom na vopred stanovenej frekvencii. V tomto režime nie je zaručené, že zariadenia budú servisované pri každej pravidelnej požiadavke. Režim sniff šetrí spotrebu batérie znížením návštevnosti požiadaviek. Intervaly čuchania môžu trvať až niekoľko sekúnd.
Režim „PAUSE“ (Podržať) je vhodný, keď môže zariadenie niekedy pozastaviť hovory. Zariadenie môže prejsť do režimu Hold na vopred určený čas, aby spracovalo ďalšiu úlohu, napríklad účasť na inej pikonete, keď nie je potrebné počas určitého časového obdobia nič prenášať, čím sa prirodzene šetrí energia.
Okrem toho, ak master komunikuje so známymi (skôr objavenými) zariadeniami, potom pri nadväzovaní komunikácie môžete preskočiť procedúru požiadavky. Ak je súčasne podriadené zariadenie v režime „čakanie na hovor“ (Page Scan), potom bude čas čakania na hovor len niekoľko desiatok milisekúnd. Toto je obzvlášť dôležité, ak je hlavné zariadenie napájané z batérie a podriadené zariadenie, ktoré neustále čaká na hovor, je napájané zo siete. V tomto prípade sa zníži spotreba energie zariadenia.
Na výber správneho ekonomického režimu základného pásma musí dizajnér hardvéru zvážiť šírku pásma, čas odozvy (alebo latenciu) a požiadavky na napájanie každej konkrétnej aplikácie. Čím dlhšie je zariadenie nečinné, tým väčšia je úspora energie. Jedným z obmedzujúcich faktorov, ktorý určuje, ako často musí zariadenie komunikovať, je stav synchronizácie hodín medzi hlavným a podriadeným zariadením, ktoré sa zúčastňujú na pikonete. Špecifikácie Bluetooth vyžadujú, aby zariadenie pracujúce v normálnom režime v rámci pikonete (ku ktorému je možné v tomto režime kedykoľvek pristupovať) pracovalo s hodinami, ktoré poskytujú stabilitu 20 pps. Aby sa zachovala synchronizácia pikonetov, master musí poskytovať synchronizačné správy aspoň každých 225 ms. Toto definuje maximálnu dobu medzi zapnutím v normálnom režime.
Používanie energeticky úsporných prevádzkových režimov nielen znižuje spotrebu energie zariadení Bluetooth, ale tiež zvyšuje spoľahlivosť pikonetu znížením rušenia inými bezdrôtovými zariadeniami. Každá pikonet Bluetooth používa 79 frekvenčných kanálov. Kolízie medzi rôznymi pikonetami alebo medzi pikonetami Bluetooth a inými bezdrôtovými zariadeniami pracujúcimi v rovnakej frekvenčnej oblasti sa znížia tým, že zariadenia Bluetooth budú väčšinu času pasívne, tj. pri používaní režimov úspory energie. V tomto prípade sa teda ušetria dva najdôležitejšie zdroje – frekvenčné pásmo a energia zdroja energie.
Bezdrôtové zariadenia sú veľmi pohodlné - už sa nemusíte starať o káble, ale musíte jasne pochopiť, že komunikácia "vzduchom" má svoje určité obmedzenia v okruhu. A čím lacnejší je napríklad Bluetooth adaptér k počítaču, tým menej sa od neho môžete vzdialiť, aby ste získali stabilné pripojenie. Samozrejme, niektoré drahé zariadenia nie vždy vydávajú pekné výsledky. Dnes si povieme, ako zosilniť Bluetooth signál a nakoľko je to reálne.
všeobecné informácie
Článok popisuje niektoré spôsoby, ktoré zahŕňajú demontáž adaptéra, výmenu jeho častí alebo úpravu spájkovaním, čo nemusí vyhovovať každému. Ak nie ste zdatný v elektronike, nie ste veľmi obratní s spájkovačkou alebo je vaše zariadenie v záruke, vyhnite sa týmto metódam.
Doplnenie adaptéra
Za najjednoduchší, no nie najefektívnejší spôsob zvýšenia rýchlosti Bluetooth možno považovať pridanie adaptéra s reflektorom, ktorý signál nasmeruje určitým smerom, než zosilní jeho šírenie do všetkých 360 stupňov.
Môžete sa pokúsiť vyrobiť takýto reflektor z plechovky od piva tak, že odrežete jej hornú časť a urobíte niekoľko ďalších rezov: zhora nadol a potom od nej trochu do strán, akoby ste mierne oddeľovali spodnú časť plechovky.
Adaptér Bluetooth je namontovaný v strede s čímkoľvek, čo chcete, a pripája sa k počítaču pomocou adaptéra USB.
Niečo podobné sa dá postaviť z kartónu s nalepenou fóliou.
Ďalšou možnosťou, ktorá by mohla fungovať, je odrezať iba hornú časť plechovky, potom urobiť výrez pre puzdro bližšie k spodnej časti plechovky a vložiť adaptér stranou, na ktorej je zapnutá anténa. Potom ho opäť zafixujeme pre vás vhodnou metódou a pripojíme cez predlžovací kábel.
Úpravy
A teraz si povieme niečo o metódach, ktoré zahŕňajú fyzickú úpravu samotného adaptéra. V lacnejších je nepravdepodobné, že by ste našli externú anténu, čo je v skutočnosti ich problém.
Ak je to možné, otvoríme puzdro a hľadáme anténu SMD, ktorá je prispájkovaná k doske - budete ju musieť odspájkovať, len veľmi opatrne, bez prehriatia časti.
Potom prispájkujeme konektor SMA na miesto antény, predtým sme odstránili všetko prebytočné: nedotýkame sa časti, do ktorej je anténa priskrutkovaná, ale na druhom konci odrežeme okraj, oddelíme obrazovku a jadrá, odizolujte ich, pocínujte a spájkujte.
Ak máte nejaké pochybnosti o tom, kde presne spájkovať, potom je najlepšie kontaktovať amatérske rádiové fóra.
Teraz sa pripájame k tomu, čo máme, anténe, ktorá sa dá bezpečne skrútiť zo starého Wi-Fi.
Ak máte drahšie zariadenie už s externou anténou, ale stále nie ste spokojní so signálom, situáciu môže zachrániť anténa Hyper gain - kúpte si ju, odrežte adaptér na pripojenie a zdieľajte obrazovku s jadrom.
Teraz pomerne často vydávajú smartfóny, telefóny alebo komunikátory so vstavaným Wi-Fi adaptér. A dosah Wi-Fi je asi sto metrov, ale telefóny, ktoré sú vybavené Bluetooth, vysielajú a prijímajú súbory iba na vzdialenosť nie väčšiu ako desať metrov. Ak máte USB-blutooth pre váš počítač, ako aj telefón s bluetooth, ale chceli by ste dosiahnuť zvýšenie dosahu príjmu. To všetko je celkom možné, no treba vylepšiť usb-bluetooth.
Nuž, začnime. Rozoberáme adaptér bluetooth pre počítač, potom musíte odladiť puzdro bluetooth a veľmi starostlivo skontrolovať dosku adaptéra.
Vo všetkých modeloch adaptérov je na konci dosky medený kontakt, ktorý vyzerá ako špirála, na fotografii je číslo 1. Táto špirála je bluetooth anténa a bude k nej prispájkovaná ďalšia domáca anténa.
Potrebujeme jednožilový medený drôt s priemerom 0,4 až 0,8 mm. Drôt je pokrytý lakovou izoláciou a nemusíte sa ho úplne zbaviť. Drôt skrútime, ako je znázornené na fotografii, potom spracujeme hrot medeného drôtu kolofóniou, potom cínom. Rovnaký postup sa musí vykonať s medenou špirálou v bluetooth, neprehrievajte dosku adaptéra, všetku prácu robte veľmi opatrne.
Potom musíte v samotnom puzdre vytvoriť otvor pre adaptér bluetooth na výstupnom bode domácej antény. Teraz veľmi opatrne zatvorte dosku v puzdre. Takže vylepšený bluetooth je pripravený, čo zvyšuje rozsah príjmu 4-krát.
Pre ďalšie zvýšenie dosahu príjmu si môžete vziať lankový dostatočne dlhý drôt, ktorý bude pokrytý izoláciou, je potrebné odizolovať hrot a pripevniť ho k anténe, druhý hrot možno pripevniť na malý karafiát zapichnutý do steny.
Systémy planárnej antény BlueTooth mobilné telefóny
V. Kaliničev, A. Kurushin, V. Nedera
Planárne anténne systémy BlueTooth v mobilných telefónoch
Zvažuje sa otázka použitia planárnych mikropásikových antén v bezdrôtovom lokálnom komunikačnom systéme Bluetooth. Návrhy a metódy analýzy planárnej keramickej antény sa berú do úvahy s prihliadnutím na straty v keramike. Na numerickú analýzu antény v prípade bol použitý program HFSS. Pre konkrétne slúchadlo boli vykonané výpočty: distribúcia prúdu na povrchu kovu, potiahnutý dielektrikom, puzdro na telefón, vzory žiarenia pre rôzne orientácie mobilného telefónu. Uvádza sa prehľad sériových antén Bluetooth, ako aj odporúčania na inštaláciu týchto antén v kryte.
Úvod
K rozvoju prispelo zvýšenie rýchlosti výmeny informácií bezdrôtové systémy komunikácie na „domácej“ úrovni. Osobné počítače a notebooky, mobilné telefóny, CD a MP3 prehrávače, digitálne fotoaparáty a videokamery a množstvo ďalších digitálnych zariadení (obr. 1), často vzájomne prepojených a stolné počítače, vznikol problém ich spojenia.
Obrázok 1. Komunikačný systém krátkeho dosahu využívajúci bezdrôtovú technológiu Bluetooth
Kábel sa stal nepohodlným - musíte sa často pripájať, rozmery samotného kábla s konektormi sú takmer väčšie ako samotné zariadenie atď. Na tomto pozadí sa výrazne zvýšil význam bezdrôtových lokálnych technológií WLAN (Wireless Local Area Networking), ktoré poskytujú bezkontaktné pripojenie zariadenia k disku hostiteľského počítača.
V dôsledku toho bol navrhnutý systém, ktorý sa začal rýchlo rozvíjať. bezdrôtová komunikácia Bluetooth (obr. 1). V rádiofrekvenčnom spektre má 79 kanálov v pásme 37 MHz (približne 2 MHz každý) v pásme 2,4465-2,4835 GHz.
esencia Bluetooth štandard vo výbave elektronické zariadenia transceivery pracujúce na frekvencii 2,45 GHz, s dosahom do 10 m a rýchlosťou prenosu informácií do 1 Mbps. Možnosti využitia týchto zariadení sú skutočne nekonečné. Bezdrôtové slúchadlá, myši, klávesnice, pripojenie mobilné telefóny a notebooky, výmena informácií medzi vreckovými počítačmi - len nevypisovať.
Systém Bluetooth funguje v autorizovanom pásme 2,45 GHz (ISM - Industry, Science, Medicine band), čo vám umožňuje voľne používať Bluetooth zariadenia po celom svete. Technológia využíva frekvenčné skákanie (1600 skokov/s) s rozprestretým spektrom. Počas prevádzky vysielač preskočí z jednej pracovnej frekvencie na druhú podľa pseudonáhodného algoritmu. Na oddelenie prijímacích a vysielacích kanálov sa používa časové delenie (obr. 2). Je podporovaný synchrónny a asynchrónny prenos dát a je zabezpečená integrácia s TCP/IP. Časové úseky sú synchronizované na prenos paketov, z ktorých každý sa prenáša na vlastnej rádiovej frekvencii.
Obrázok 2 Alternatívna komunikácia medzi prístrojom A a prístrojom B
Spotreba energie zariadení Bluetooth by mala byť do 0,1 W. Každé zariadenie má jedinečnú 48-bitovú sieťovú adresu kompatibilnú so štandardom lokálnych sietí IEEE 802.
Základným princípom budovania Bluetooth systémov je použitie metódy frekvenčného skákania spektra (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Celý frekvenčný rozsah 2,402 ... 2,480 GHz pridelený pre rádiovú komunikáciu Bluetooth je rozdelený do N frekvenčných kanálov. Šírka pásma každého kanála je 1 MHz, kanálová vzdialenosť je 140…175 kHz. Na kódovanie informácií o pakete sa používa kľúčovanie s frekvenčným posunom.
Pre USA a Európu je N = 79. Výnimkou sú Španielsko a Francúzsko, kde sa pre Bluetooth používa 23 frekvenčných kanálov. Kanály sa menia podľa pseudonáhodného zákona s frekvenciou 1600 Hz. Prekladanie konštantnej frekvencie umožňuje vzdušnému rozhraniu Bluetooth vysielať informácie cez celé pásmo ISM a vyhnúť sa rušeniu zo zariadení pracujúcich v rovnakom pásme. Ak tento kanál je zašumený, potom sa systém prepne na iný a bude to pokračovať, kým sa nenájde kanál bez rušenia.
Jednoduchosť štruktúry prispela veľkou mierou k rýchlemu štartu systému Bluetooth. Pozostáva z rádiového modulu-transceivera, komunikačného ovládača (aka procesora) a riadiaceho zariadenia, ktoré v skutočnosti implementuje protokoly Bluetooth vyššej úrovne, ako aj rozhrania s koncovým zariadením. Okrem toho, ak sú transceiver a komunikačný ovládač špecializované mikroobvody (integrované alebo hybridné), potom sú komunikačné riadiace zariadenia implementované na štandardných mikrokontroléroch, signálových procesoroch, prípadne podporujú ich funkcie. centrálne procesorové jednotky výkonné koncové zariadenia (napríklad notebooky).
Zariadenia Bluetooth navyše používajú integrované obvody používané v iných aplikáciách, pretože mikrovlnné pásmo 2 GHz je celkom dobre zvládnuté a zabudované do technológie Bluetooth. technické riešenia samy o sebe nie sú zvlášť nové. V skutočnosti je modulačná schéma rozšírená, technológia frekvenčného skoku rozprestretého spektra je dobre vyvinutá a výkon je nízky.
Kľúčom k úspechu technológie Bluetooth je rádiový transceiver. Nízka cena a nízky výkon boli hlavnými faktormi pri implementácii špecifikácií rozhrania (krátke letecké rádiové spojenie) a návrhu transceivera. Technológia Bluetooth umožňuje vytvoriť jednočipový transceiver kombináciou RF obvodov a obvodov na spracovanie digitálneho toku na jedinom kremíkovom čipe.
Bluetooth transceiver
Bluetooth transceiver je možné rozdeliť do troch funkčných blokov (obr. 3). Rádiová jednotka obsahuje RF up a down konvertory, základné pásmo IF, kanálový filter, modulátor/demodulátor a frekvenčný syntetizátor.
Obrázok 3. Základné prvky Bluetooth transceivera
Rádiová jednotka prevádza FM signál na frekvencii 2,45 GHz na bitový tok a naopak. Anténa je veľmi dôležitým prvkom systému. Anténa musí byť všesmerová a mať zisk 0 dBi, prítomnosť užívateľa nesmie ovplyvňovať šírenie signálu. Vzhľadom na malú vlnovú dĺžku na 2,45 GHz je veľkosť antény obmedzená na niekoľko cm.V súčasnosti sa najčastejšie používajú ploché alebo PIFA antény, no navrhli sa ešte menšie prevedenia typu E na keramickom substráte. Anténa je doplnená o pásmový filter, ktorý oddeľuje frekvenciu 2,45 GHz od pásma ISM.
Na realizáciu jednoduchých a robustných prijímačov a nekoherentnej detekcie používa Bluetooth kľúčovanie s binárnym frekvenčným posunom (FM, FSK) s gaussovským impulzom okolo frekvenčného skoku s rýchlosťou 1 Mbps. Oblasť takéhoto signálu je BT = 0,5, kde B je pásmo, T je trvanie impulzu s indexom modulácie od 0,28 do 0,35 a trvaním impulzu 1 μs. FM eliminuje potrebu AGC, ktoré je náročné na obsluhu pri prepínaní frekvencií a keď dáta prichádzajú v nepravidelných časových intervaloch. Predná časť RF prijímača pozostáva z konvertora, kanálového pásmového filtra a frekvenčného detektora.
Kanálový filter prideľuje šírku pásma 1 MHz a má pomerne vysoké požiadavky na selektivitu. Pretože pásmo ISM musí byť zdieľané s inými systémami v pásme (ktoré môžu zahŕňať iné systémy Bluetooth), musia sa podniknúť kroky, aby sa zabránilo interakcii prístroja. Prijímač Bluetooth je zvyčajne zostavený s konverziou smerom nadol (to znamená, keď obrazový kanál spadá do pásma IF). Pre oddelenie viacerých fungujúcich systémov Bluetooth sú faktory blokovania pre zrkadlový kanál by mala byť 20, 30 a 40 dB pre prvý, druhý a tretí susedný kanál.
Vzhľadom na charakter činnosti systému Bluetooth sú technické požiadavky na intermoduláciu prísnejšie ako na citlivosť prijímača.
Na pokrytie vzdialenosti 10 m s výstupným výkonom 0 dBm postačuje citlivosť prijímača P min = -70 dBm. Berúc do úvahy hladinu hluku na vstupe prijímača -114 dBm (v pásme šumu 1 MHz) a požiadavku na výstupe z prijímacej cesty K m = 21 dB, zabezpečiť maximálnu chybovosť prenosu informácií BER = 0,1 %, získame, že šumové číslo je 13 dB . Táto hodnota sa vypočíta zo vzorca citlivosti
P min = -174 dBm + NF + 10lgB + a + Km, (1)
kde -174 dBm je výkon tepelného šumu (kTB) v pásme 1 Hz normálna teplota; NF - faktor hluku, dB; B - frekvenčné pásmo pred demodulátorom, 1 MHz; a - prah odozvy, a = 3 dB; K m - koeficient v závislosti od typu modulácie.
V porovnaní s doteraz dosahovanou hlučnosťou, ktorá je hlboko pod 13 dB, sa to zdá byť dosť slabá hodnota. Táto nízka požiadavka však umožňuje použitie lacných stratových súčiastok a poskytuje ochranu pred rušivými signálmi (presluchy v substráte a silových rozvodoch).
Výpočet dynamického rozsahu Bluetooth prijímača
Hornú hranicu dynamického rozsahu možno odhadnúť z úrovne súčinu intermodulačného skreslenia 3. rádu, ak predpokladáme, že na vstupe sú 2 signály s frekvenciami dvoch susedných kanálov.
Dva signály s frekvenciami f 0 + Df a f 0 + 2Df vytvárajú v uvažovanom rádiovom kanáli s frekvenciou f 0 súčin intermodulačného skreslenia tretieho rádu P IM3. Úroveň výkonu produktu P IM3 závisí od vstupného rušivého výkonu P in a nelineárneho parametra celého prijímača - záchytného bodu tretieho rádu IP 3 - a rovná sa:
P IM3 = 3P in - 2IP3 [dB]. (2)
Dynamický rozsah bez skreslenia je určený z podmienky, že skreslenia lineárneho a nelineárneho pôvodu rovnako ovplyvňujú skreslenie v demodulátore a rovnako degradujú detekciu vlastného signálu. To znamená, že aby BER neprekročila rovnakú hodnotu 0,1%, aká bola nastavená pri určovaní citlivosti, je potrebné, aby výkon prijímaného signálu bol 3 dB nad úrovňou šumu (čo zodpovedá citlivosti prijímača Pmin). Preto sa získalo IP3 = -16 dBm vo výraze (2), za predpokladu, že intermodulačný produkt PIM3 sa rovná citlivosti prijímača, dva rušivé signály majú výkon 0 dBm a rušenie je prítomné vo vzdialenosti 1 m.
Kombináciou hodnoty IP3 = -16 dBm s citlivosťou prijímača Pmin = -70 dBm z (1) a (2) dostaneme, že dynamický rozsah bez skreslenia (SFDR) prijímača Bluetooth by sa mal rovnať
SFDR = 2/3 (IP 3 - (P min + 3 dB)) = 50 dB. (3)
Blok vysielača je tiež celkom jednoduchý. Binárna modulácia GFSK sa získava priamou moduláciou lokálneho oscilátora FM. Dodatočné konverzie fázy nahor preto nie sú potrebné. Signál v základnom pásme je filtrovaný Gaussovým filtrom tak, aby sa zachovala šírka spektra 1 MHz potrebná pre FM systémy pracujúce v pásme ISM na 2,45 GHz. Modulácia Gaussovej obálky nekladie vysoké požiadavky na linearitu koncového stupňa vysielača, možno tu použiť ekonomické zosilňovače triedy C.
Výkon Bluetooth vysielača je asi 0 dBm (možno použiť maximálny výkon až 20 dBm). Pre úrovne výkonu vyššie ako 0 dBm sa použije regulácia výkonu v uzavretej slučke.
Výpočet dosahu mobilného telefónu v systéme Bluetooth
Je známe, že výkon rádiového signálu v bode príjmu Pn sa rovná:
kde P je výkon vyžiarený vysielačom; G m - maximálny zisk vysielacej antény; A ef.m - maximum efektívna oblasť prijímacia anténa (úmerná geometrickej ploche antény); F(,) - funkcia vyžarovacieho diagramu vysielacej antény; F"(",") - funkcia vyžarovacieho diagramu prijímacej antény.
Z tohto vzorca môžete získať maximálny rádiový dosah za predpokladu, že antény sú nasmerované na seba,
kde P n.min - citlivosť prijímača, v našom prípade P n.min = 10-10 W (-70 dBm).
Ak do vzorca (4) dosadíme výkon vysielača P = 10-3 W, G m = 0,5, A eff.m = 25 10 -6 (5 x 5 mm), dostaneme r m = 3 m.
Táto hodnota sa približuje požiadavkám systému Bluetooth a môže Štartovací bod výpočet geometrie antény, keďže ostatné charakteristiky určuje norma pre čip transceivera.
Antény pre Bluetooth (prehľad výrobcov a riešení)
Niekoľko firiem ako Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion a ďalšie už vyrába širokú škálu antén, ktoré sa používajú v celulárnej telefónii a sú špeciálne navrhnuté pre systémy Bluetooth s použitím keramických materiálov s dobrými vysokofrekvenčnými vlastnosťami.
Spoločnosť Hitachi Metals vydala antény „E-Type Electrode Configuration“ (obrázok 4), ktoré sú vhodné pre aplikácie Bluetooth. Priestor potrebný pre novú anténu je veľmi malý (15x3x2mm), nie je citlivý na umiestnenie periférnych častí, dá sa vyrobiť ako vysokovýkonná kryštálová Bluetooth anténa a ľahko sa používa.
Obrázok 4. Pohľad na anténu Hitachi Metals pre Bluetooth
Spoločnosť Antek Wireless Inc. vyvinula novú 2,4 GHz anténu originálneho dizajnu, ktorá poskytuje účinnosť presahujúcu prakticky akúkoľvek špecifikáciu projektu, je malá a možno ju nainštalovať takmer do akéhokoľvek zariadenia. Anténa je použiteľná pre rôzne aplikácie ako je bezdrôtový prenos videa, audio zariadenia, slúchadlá, modemy, mobilné počítače, prenosné telefóny a iné prenosné vreckové zariadenia využívajúce protokoly Bluetooth, IEEE 802.11 a HomeRF.
Centurion International sa rozvinul interná anténa PIFA alebo variácie plochej antény na použitie v prenosných počítačoch využívajúcich technológiu Bluetooth. Nová anténa umožňuje výrobcom počítačov vyvíjať prenosné zariadenia, s ktorými ľahko komunikujú prenosné telefóny a systémov na odosielanie správ, pripojte sa na internet vysoké rýchlosti prenos dát.
Murata Manufacturing Co. zahájila výrobu a predaj vstavaných dielektrických antén pre notebooky využívajúce technológiu Bluetooth (obr. 5). Rozmery modulu novej série G2 sú 15x5,8x7,0 mm.
Obrázok 5. Čipová anténa ANCG22G41 Murata
Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. Predstavuje ultra kompaktnú anténu pre Bluetooth zariadenia. Anténa je vyrobená na keramickom podstavci a má rozmery 5x1,2x1,2 mm. Ide o najmenšiu anténu v odvetví Bluetooth. Charakteristiky antény sú nasledovné: pracovná frekvencia 2,4 GHz, zisk -2 dBi, pomer stojatých vĺn napätia (VSWR) 2,0.
Obrázok 6. Keramická anténa v puzdre na mobilný telefón (foto)
TDK Corp. vyrába dve malé polvlnové antény s rozmermi 7 mm x 7 mm na použitie v produktoch Bluetooth. Anténa CANPB0715 má zisk -5 dBi a anténa CANPB0716 má zisk 3 dBi. Väčšina ostatných malých antén je štvrťvlnná. Ich použitie je možné len vo väčších mobilných zariadeniach, ako sú notebooky, kde sa uzemnenie vykonáva k telu zariadenia. Mobilné telefóny si vyžadovali vývoj polvlnových antén.
Obrázok 7. 3D pohľad na anténu Bluetooth v metalizovanom obale mobilného telefónu (nákres v HFSS)
Konfigurácia antény typu E
Predtým mali antény dve základné konfigurácie: reverzná anténa typu F s jedným koncom a plochá anténa.
Invertovaná F anténa má jednu stranu otvorenú a druhú stranu uzemnenú, aby sa zmenšila veľkosť, ale otvorená strana je vystavená vplyvu uzemňovacej elektródy. Na realizáciu vlastností antény v danom priestore je preto potrebná veľká plocha a pri návrhu usporiadania periférnych komponentov si treba dať pozor.
Plochá anténa je navyše vysoko citlivá (vysoký zisk) a má silné smerové vlastnosti, vďaka čomu nie je vhodná pre aplikácie Bluetooth, kde je potrebná všesmerovosť.
Typ antény vyvinutý spoločnosťou Hitachi Metals má jedinečné výhody reverznej antény typu F, ale obsahuje uzemňovacie elektródy na oboch stranách a je pridaná centrálna elektróda v tvare kužeľa. Inými slovami, nová konfigurácia elektród typu E vynájdená spoločnosťou Hitachi Metals môže byť ďalej miniaturizovaná a výrazne neovplyvňuje blízke uzemňovacie elektródy. Čím je anténa menšia, tým menej ovplyvňuje puzdro jej parametre.
Vyššie uvedená analýza všetkých návrhov antén pre systém Bluetooth umožňuje identifikovať hlavné parametre antény zahrnuté v špecifikácii antény, na základe ktorej je možné zvoliť metódu návrhu mobilného telefónu s takouto anténou.
Technické požiadavky na anténu systému Bluetooth:
- prevádzkové frekvenčné pásmo: 2400…2500 MHz;
- priemerný zisk: -3 dBi;
- vstupná impedancia: 50 Ohm;
- VSWR: 3 alebo menej.
V procese navrhovania anténneho systému je potrebné:
- vypočítajte zodpovedajúcu štruktúru medzi vstupom filtra a bodom napájania mikropásikovej antény;
- optimalizovať brúsený povrch (niekedy nazývaný protizávažie), teda nájsť optimálne vyplnenie vnútorného povrchu puzdra na telefón vodivými oblasťami. V dnešnej dobe sa to často realizuje natieraním jednotlivých častí puzdra vodivou farbou.
Cieľom návrhu antény je získať požadovaný vyžarovací diagram (RP) a dobré prispôsobenie v pracovnom frekvenčnom pásme.
Analýza zovšeobecnenej štruktúry planárnej antény
Prehľad existujúcich antén pre systém Bluetooth ukazuje, že majú kovové tvary zložitej konfigurácie nanesené na jednej alebo viacerých stranách trojrozmerného substrátu, najčastejšie keramického s vysokou permeabilitou (obr. 8). Preto môžeme povedať, že každá z týchto foriem je rezonátorom. Je známe, že rozmery antény súvisia s pracovnou frekvenciou. Ak predpokladáme, že anténa rezonuje pozdĺž dlhšej strany, dĺžku antény možno odhadnúť pomocou nasledujúceho jednoduchého vzorca:
kde f r - daná rezonančná frekvencia; je relatívna permitivita materiálu substrátu. Tento vzorec nezohľadňuje vplyv šírky substrátu antény a hrúbky substrátu na rezonančnú frekvenciu, ale tento vplyv je zvyčajne zanedbateľný. Vzorec (1) odráža fyzikálnu podstatu tlačenej antény (obr. 9) ako polvlnového rezonátora, ktorý je vytvorený v priestore medzi horným vodičom a zemnou rovinou antény. Napríklad pri frekvencii f r = 2,5 GHz a = 34 (keramika) z (1) máme A ~= 10,3 mm.
Obrázok 8. Geometria Bluetooth antény YCE-5207 v programe AutoCAD
Obrázok 9. Anténa Bluetooth (pohľad zhora) navrhnutá v programe AutoCAD
Dĺžka antény môže byť aspoň polovičná (pri prevádzke na rovnakej frekvencii), ak je jeden koniec uzemnený. V tomto prípade získate takzvanú invertovanú F-anténu (PIFA), čo je štvrťvlnový rezonátor, ktorého jeden koniec je uzemnený a druhý otvorený (nečinný). PIFA (obr. 3) je riadený koaxiálnym vedením v bode, kde je vstupná impedancia antény blízka 50 ohmom. Takže dĺžka PIFA sa dá zhruba odhadnúť ako
Pre anténu naladenú na rovnakú frekvenciu f r = 2,5 GHz a = 34 dostaneme ~= 5,1 mm, čo už zaberá oveľa menej miesta ako v predchádzajúcom prípade. Skutočná veľkosť antény môže byť ešte menšia v dôsledku účinku okraja blízkeho poľa sústredeného na otvorenom konci rezonátora.
Veľkosť E-antény, keďže je zrolovaná na oboch stranách, sa dá zhruba odhadnúť ako
Keďže antény pre systém Bluetooth sú v polouzavretom štíte zložitého tvaru, výkon anténneho systému sa môže výrazne líšiť od výkonu vypočítaného teoretickými vzorcami. V tomto prípade je možné parametre antény (rozmery vodičov a vzdialenosť medzi nimi na výšku) optimalizovať pomocou niektorého zo softvérových balíkov, ktoré simulujú elektromagnetické štruktúry (obr. 10).
Obrázok 10. Blízke pole v mobilnom telefóne (v poli programu HFSS)
Všimnite si, že výhoda malých rozmerov PIFA antény je dosiahnutá znížením jej emisivity (vyžaruje len jeden okraj), navyše PIFA antény sú väčšinou úzkopásmové.
Numerické metódy navrhovania planárnych antén
Antény sú základným stavebným kameňom všetkých rádiokomunikačných systémov a využívajú voľný priestor ako nosné médium. Používajú sa na prepojenie vysielača alebo prijímača vo voľnom priestore.
Antény majú číslo dôležité parametre, z ktorých je najväčší záujem o zisk, vyžarovací diagram, šírku pásma a polarizáciu.
Moderná konštrukcia antén mobilných telefónov (obr. 11) je založená na simulácii elektromagnetických javov na počítači, pričom ako východiskové údaje sa používajú výsledky získané na základe predbežných výpočtov a heuristických úvah.
Obrázok 11. Pohľad na anténu Bluetooth v puzdre mobilného telefónu
Pri vytváraní modelu je potrebné pamätať na to, že geometria musí zodpovedať skutočnej polohe antény počas prevádzky, to znamená, že puzdro je vo vertikálnej polohe (alebo v miernom uhle). V tomto prípade je plochá anténa v polohe na okraji.
Vlastnosti miniatúrnych keramických antén
Keramická anténa je vyrobená na substráte s vysokou dielektrickou konštantou. Materiál s vysokou priepustnosťou má tiež vysoké straty.
Výpočet takýchto antén sa preto musí vykonávať pomocou programov, ktoré zásadne zohľadňujú straty v keramike. Takýmto programom je program HFSS.
Pre úspešnú inštaláciu plochej antény do konštrukcie slúchadla mobilného telefónu je potrebné vykonať výpočtové štúdie, ktoré by ukázali závislosť charakteristík anténneho systému od určitých prvkov konštrukcií telefónu.
Všimli sme si nasledujúce vlastnosti mikropáskových antén:
- mikropásikové antény sú užšie ako špirálové;
- mikropásikové antény ľahko implementujú kruhovú polarizáciu v porovnaní s prevažne vertikálnou polarizáciou špirálových antén;
- mikropásikové antény majú nerovnomerný vyžarovací diagram v azimutovej rovine ako špirálové a vibračné antény v dôsledku ich asymetrie okolo vertikálnej osi.
Ako už bolo uvedené, keramická anténa je 3D štruktúra, na ktorej povrchu sú na každej strane uložené kovové vodiče určitého tvaru. Tento dizajn môže mať jeden alebo viac budiacich bodov. V týchto bodoch je na anténu privedené budiace napätie, ktoré indukuje vyžarovacie prúdy v konštrukcii. Budiace body je možné prepojiť vyrovnávacím transformátorom (balun).
Okrem budiacich bodov môže mať vytlačená anténa uzemňovacie body (pripojenie k základnej rovine). Prúdy indukované v tejto komplexnej štruktúre formujú vyžarovací diagram a implementujú ďalšie charakteristiky antény potrebné na nadviazanie komunikácie osobný počítač alebo iné zariadenie.
Keďže ako výsledok elektrodynamického výpočtu je možné určiť rozloženie prúdov v systéme, ich analýza môže slúžiť ako základ pre modernizáciu antény.
V procese navrhovania antény je potrebné v prvom rade získať vstupnú impedanciu blízku 50 Ohm, pretože v tomto prípade bude možné zladiť anténu s nízkošumovým vstupným zosilňovačom a výkonovým zosilňovačom prenosová cesta s menšou stratou.
Ak je napríklad hodnota spätného úbytku antény (parameter 20 log |S 11 |) asi -20 dB, znamená to, že anténa bude pracovať s dobrou koordináciou s okolitým priestorom v rozsahu prevádzkových frekvencií. Hodnota -20 dB naznačuje, že výkon generátora bude takmer bez odrazu absorbovaný anténou, ktorá je zase zaťažená voľným priestorom. Anténa je transformátor medzi výstupom výkonového zosilňovača (alebo vstupom nízkošumového zosilňovača) a voľným priestorom, ktorého impedanciu pre rovinnú vlnu vo vzdialenom poli možno považovať za rovnú 377 ohmov.
Ďalšou požiadavkou sú vyžarovacie charakteristiky, ktoré určujú schopnosť antény vyžarovať rôznymi smermi. Pri navrhovaní a výpočte antén ich zvyčajne zaujímajú rezy vyžarovacieho diagramu v dvoch navzájom kolmých rovinách: azimute a elevácii. Azimutálny RP určuje schopnosť antény vyžarovať v horizontálnej rovine, eleváciu RP - vo vertikálnej. Oba vzory sú dôležité pre mobilný telefón, ale prvý definuje všesmerovosť a je relevantnejší pre hodnotenie emisií v teréne. Smerové parametre tlačenej antény alebo jej modifikácií nesmú byť horšie ako parametre existujúcich špirálovitých antén.
Výpočet vyžarovacích charakteristík antény Bluetooth
V tabuľke sú uvedené výsledky modelovania antény v kryte pomocou presných geometrických rozmerov konkrétneho dizajnu. Z tabuľky vyplýva, že parametre vypočítaného návrhu sa výrazne líšia od nameraných parametrov zhody (obr. 16). Preto analyzujeme dôvody týchto rozdielov.
Tabuľka. Výkon vyžarovaný anténou, smerovosť, zisk a veľkosť pri absencii strát v substráte (dielektrický tangens = 0). Menovitý výkon generátora na vstupe (porte) je 1W
| F Frekvencia | P izl Vyžiarený výkon, výpočet, W (vypočítaný súčet výkonov cez roviny žiarenia) |
Smernosť D, dB (výpočet pre HFSS) | G Zisk, dB = P izl / P nomin | S 11 Výpočet 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 |
Najväčší zásadný rozdiel medzi vypočítaným a reálnym návrhom spočíva v parametroch podkladu. Výpočtové údaje uvedené v tabuľke teda zodpovedajú idealizovanému prípadu absencie strát v keramickom substráte. V tomto idealizovanom bezstratovom prípade nájdeme prepojenie parametrov tabuľky.
Rad je vypočítaný programom HFSS cez celú hranicu žiarenia. Všetka sila, ktorá prešla stenami, ktoré označujú hranicu ďalekého poľa, sa sčíta a dáva tomuto P rad.
Ak sú substrát a vodiče bezstratové, potom je vyžiarený všetok výkon, ktorý prišiel do antény, teda P rad. = P ant a tento výkon, ktorý prišiel do antény a potom vyžaroval, je zase určený nesúladom:
P izl \u003d P ant \u003d P nom (1 - | S 11 | ²), (7)
kde Pnom je menovitý výkon generátora. Na základe HFSS je nastavený na 1 W.
Pri frekvencii 2 GHz, v súlade s tabuľkou, z (7) máme
P ant \u003d 1 (1 – | 0,96 | ²) \u003d 0,07 W,
čo zodpovedá vypočítanej hodnote P izl v tabuľke.
Zisk antény je podľa definície
Dosadením (7) do (8) dostaneme na logaritmickej stupnici,
G \u003d 10 lg (1 - | S 11 | ²) + D. (9)
Pre frekvenciu 2 GHz máme zisk antény
G \u003d 10 lg (1 - | 0,96 | ²) + 3,47 \u003d -7,8 dB.
Ukázali sme teda zapojenie parametrov antény pre prípad bez strát v substráte.
Prepíšme (7) do nasledujúceho tvaru:
Analýzou výpočtu HFSS vidíme, že pri frekvencii 2 GHz a iných frekvenciách je zisk antény slabý, a čo je najdôležitejšie, existuje nesúlad antény (obr. 12). Experiment však ukazuje, že zisk antény je oveľa vyšší, a to aj bez zahrnutia zodpovedajúcich obvodov. Čo sa deje? Napodiv sa ukazuje, že prítomnosť strát v keramickom substráte pomáha prispôsobiť anténu a zlepšiť výkon malej antény v porovnaní s bežnou anténou, ktorej rozmery sú úmerné vlnovej dĺžke. Skutočne, zvýšením strát na tg = 0, 1 (samozrejme nereálne veľké), výpočtom na HFSS, získame zodpovedajúce závislosti znázornené na obr. 13.
Obrázok 12. Frekvenčná odozva Bluetooth antény s keramickými parametrami = 34, tg = 0 (bezstratová). Z obrázku je vidieť, že dohoda je nekvalitná.
Obrázok 13. Frekvenčná odozva antény Bluetooth pri keramických parametroch = 34, tg = 0,1 (pri 2 GHz)
Aby sme mohli preskúmať účinnosť antény ako funkciu strát, vypočítame závislosti charakteristík antény v puzdre od strát v keramike. Keramika má straty a výpočty ukazujú, že ak predpokladáme, že nie sú žiadne straty, potom má anténa zlé prispôsobenie, ak sú straty, prispôsobenie sa zlepšuje.
Výkon P izl vypočíta program numericky ako súčet výkonov dopadajúcich na všetky hranice žiarenia. Tento výkon je menší ako menovitý výkon generátora a je len jeho časťou.
Keďže v tomto prípade máme straty, sú definované ako rozdiel výkonu medzi bezstratovým prípadom, vzorcom (7) a hodnotou P rad. Rovnosť P izl = P ant už neplatí, tieto mocniny sa líšia mocnosťou strát v substráte:
P izl \u003d P ant - absorpcia P. (jedenásť)
Dosadením (11) do vzorca (8) dostaneme, že zisk antény, berúc do úvahy straty v keramike, nájdeme podľa vzorca
ktoré môžu byť zastúpené vo forme
|S 11 |² \u003d 1 - Ktg - G / D, (13)
kde K * tg \u003d P hlboký / P nom, K vo všeobecnom prípade sa nerovná 1.
Z (13) je zrejmé, že |S 11 |² klesá so zvyšujúcimi sa stratami a je možné pochopiť, prečo sa prispôsobenie s anténou dosiahne jednoduchšie v prípade stratovej keramiky.
Obrázok 14. Vzor výšky anténneho systému Bluetooth
Obrázok 15. Azimutálny diagram žiarenia mobilného telefónu s anténnym systémom Bluetooth
Výpočty ukazujú, že vplyv tela užívateľa na vyžarovací diagram malej antény je oveľa menší ako na RP hlavnej antény mobilného telefónu. To isté možno povedať o spätnom účinku vyžarovaného výkonu Bluetooth antény na ľudské telo.
Experimentálna štúdia planárnej antény
Experimentálne ladenie antény je možné vykonať podľa kritéria zhody a podľa kritéria RP. Na obr. 16 ukazuje nameranú frekvenčnú odozvu parametra S11 vynesenú na Smithovom diagrame.
Obrázok 16. Vstupná impedancia antény meraná sieťovým analyzátorom v kryte
Tieto experimentálne merania boli vykonané na obvodovom merači HP8632.
Experimentálne meranie skreslenia rezonančná frekvencia anténny systém pri tienení antény clonou ukázal, že odchýlka rezonančnej frekvencie pri vložení antény do puzdra bola 50 MHz.
Záver
Článok pojednáva o vlastnostiach modelovania mikropásikovej antény v systéme Bluetooth určenom na bezdrôtovú lokálnu komunikáciu. Zvažuje sa systém Bluetooth v mobilnom telefóne. Hlavná prednosť prevádzka anténneho systému - prevádzka antény v silne pokovenom kryte, to znamená s veľkým protizávažím. Preto na výpočet prúdov indukovaných anténou na povrchu puzdra je potrebné použiť analytický program v 3D zobrazení. Takýmto programom je HFSS. V tomto prípade je modelovanie antény spolu s ďalšími prvkami puzdra nevyhnutnou súčasťou celého procesu návrhu antény a trubice.
Vlastnosti procesu modelovania sú demonštrované pomocou patch antény Yocowo YCE-5207, ktorá je kombináciou obdĺžnikovej kovovej podložky a mikropáskového vedenia na keramike s veľkou dielektrickou konštantou pomerne zložitých tvarov. Výsledky špecifickej analýzy sú prezentované ako frekvenčné charakteristiky koeficient odrazu, prúdy v prípade, blízke pole a DN. Je znázornený vplyv prvkov telesa trubice na vyžarovací diagram vo vzdialenej zóne. Zvažuje sa možnosť montáže externej aj vnútornej antény.
Literatúra
- Jennifer Bray, Charles Sturman. Bluetooth: pripojenie bez káblov. Prentice-Hall, 2001. 495 s.
- Balanis C.A. Teória antén: Analýza a dizajn, Wiley & Sons. 2. vydanie. 1997.
- Fujimoto K. a James J.R. (redaktori). Príručka k mobilným anténnym systémom. 2. vydanie. Artechov dom. 2001. 710 s.
- Kessenikh V., Ivanov E., Kondrashov Z. Bluetooth: princípy konštrukcie a prevádzky // Chip News. 2001. Číslo 7. S. 54–56.
- Kalinichev V., Kurushin A. Mikropáskové antény pre mobilné telefóny // Chip News. 2001. Číslo 7. S. 6–12.