Mejora de la señal de Bluetooth: caminos para los expertos. Sistemas de antena plana BlueTooth en teléfonos móviles Conexión de antena externa al módulo bluetooth

Ahora, con bastante frecuencia, producen teléfonos inteligentes, teléfonos o comunicadores con Adaptador de Wi-Fi... Y el alcance de Wi-Fi es de unos cien metros, pero los teléfonos que están equipados con Bluetooth transmiten y reciben archivos solo a una distancia de no más de diez metros. Si tiene un USB-blutooth para una computadora, así como un teléfono bluetooth, pero le gustaría lograr un aumento en el rango de recepción. Todo esto es bastante posible, pero es necesario mejorar usb-bluetooth.

Bueno, empecemos. Desmontamos un adaptador bluetooth para una computadora, después de eso, debe depurar la carcasa bluetooth y examinar con mucho cuidado la placa del adaptador.

En todos los modelos de adaptadores, al final de la placa hay un contacto de cobre, similar a una espiral, en la foto es el número 1. Esta espiral es una antena bluetooth, y se le soldará una antena casera adicional.

Necesitamos un hilo de cobre de un solo núcleo con un diámetro de 0,4 a 0,8 mm. El cable está cubierto con aislamiento de barniz y no es necesario que se deshaga de él por completo. Giraremos el alambre como se muestra en la foto, luego procesaremos la punta del alambre de cobre con colofonia, luego con estaño. Se debe realizar el mismo procedimiento con una bobina de cobre en bluetooth, no sobrecalentar la placa adaptadora, hacer todo el trabajo con mucho cuidado.

Luego, debe hacer un agujero en la caja para el adaptador bluetooth, en el punto de salida antena casera... Ahora cerraremos con mucho cuidado el tablero en el estuche. Entonces, el bluetooth actualizado está listo, lo que aumenta el rango de recepción en 4 veces.

Para aumentar aún más el rango de recepción, puede tomar un cable trenzado lo suficientemente largo que se cubrirá con aislamiento, debe pelar la punta y enrollarla en la antena, la segunda punta se puede unir a un pequeño clavo clavado en la pared.

Varias firmas como Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion y otras ya producen una amplia gama de antenas que se utilizan en telefonía celular y están diseñadas específicamente para sistemas Bluetooth que utilizan materiales cerámicos con buenas propiedades de RF.

Hitachi Metals ha lanzado antenas de "Configuración de electrodo tipo E" (Figura 28) muy adecuadas para aplicaciones Bluetooth. El espacio requerido para la nueva antena es muy pequeño (15x3x2mm), no es sensible a la ubicación de las partes periféricas, se puede hacer como una antena de cristal de alto rendimiento para Bluetooth, fácil de usar.

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Antek Wireless Inc. ha desarrollado una novedosa antena de 2,4 GHz con un ingenioso diseño que supera prácticamente cualquier especificación de proyecto, está miniaturizada y se puede instalar en casi cualquier dispositivo. La antena es aplicable para diversas aplicaciones, como transmisión de video inalámbrica, equipos de audio, auriculares, módems, computadoras móviles, teléfonos portátiles y otros dispositivos portátiles que utilizan los protocolos Bluetooth, IEEE 802.11 y HomeRF.

Centurion International ha desarrollado una antena PIFA interna, o variaciones de antena plana, para su uso en computadoras portátiles que utilizan tecnología Bluetooth. La nueva antena permite a los fabricantes de ordenadores desarrollar dispositivos portables que enlazan fácilmente a telefonos portatiles y los sistemas de mensajería se conectan a Internet a altas velocidades de transmisión de datos.

Murata Manufacturing Co. comenzó a fabricar y vender antenas dieléctricas integradas para computadoras portátiles que utilizan tecnología Bluetooth (Fig. 29). Dimensiones del módulo series nuevas G2 - 15x5,8x7,0 mm.

Arroz. 29

Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. Limitado. Lanza una antena ultracompacta para dispositivos Bluetooth (30). La antena está realizada sobre una base de cerámica y mide 5x1,2x1,2 mm. Es la antena más pequeña de la industria de Bluetooth. Las características de la antena son las siguientes: frecuencia de funcionamiento 2,4 GHz, ganancia -2 dBi, relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) 2,0.

TDK Corp. fabrica dos pequeñas antenas de media onda (7 x 7 mm) para su uso en productos basados ​​en tecnología Bluetooth. La antena CANPB0715 tiene una ganancia de -5 dBi y la antena CANPB0716 tiene una ganancia de 3 dBi. La mayoría de las otras antenas pequeñas son antenas de un cuarto de longitud de onda. Su uso solo es posible en grandes dispositivos móviles como las computadoras portátiles, donde el suelo está hecho para el chasis del dispositivo.

Anteriormente, las antenas tenían dos configuraciones básicas: una antena inversa no balanceada de tipo F y una antena plana. Una antena F invertida tiene un lado abierto y el otro conectado a tierra para reducir el tamaño, pero el lado abierto está influenciado por el electrodo de tierra.

Arroz. treinta

Por lo tanto, se requiere un área grande para realizar las propiedades de la antena en un espacio dado, y se debe tener cuidado al diseñar la disposición de los componentes periféricos. Además, la antena plana es muy sensible (alta ganancia) y tiene fuertes propiedades direccionales, lo que la hace inadecuada para aplicaciones Bluetooth donde se requiere omnidireccionalidad.

El tipo de antena, desarrollado por Hitachi Metals, tiene los beneficios únicos de una antena inversa tipo F, pero incluye electrodos de puesta a tierra en ambos lados y agrega un electrodo central cónico. En otras palabras, la nueva configuración de electrodo tipo E inventada por Hitachi Metals se puede miniaturizar aún más y no afecta significativamente a los electrodos de tierra cercanos. Cuanto más pequeña es la antena, menos afecta el caso a sus parámetros.

El análisis de todos los diseños de antena para el sistema Bluetooth, dado anteriormente, le permite seleccionar los parámetros principales de la antena incluidos en la especificación de la antena, sobre la base de los cuales puede elegir un método para diseñar un teléfono celular con dicha antena.

Especificaciones de la antena Bluetooth:

Banda de frecuencia de trabajo: 2400 ... 2500 MHz;

Ganancia media: -3 dBi;

Impedancia de entrada: 50 ohmios;

VSWR: 3 o menos.

En el proceso de diseño de un sistema de antena, es necesario:

Optimice la superficie del suelo (a veces llamada contrapeso), es decir, encuentre el relleno óptimo de la superficie interna de la carcasa del teléfono con áreas conductoras. Hoy en día, esto se hace a menudo pintando partes individuales de la carcasa con pintura conductora.

El objetivo del diseño de la antena es obtener el patrón de radiación (DP) requerido y una buena adaptación en la banda de frecuencia operativa.

Planar sistemas de antena BlueTooth en celulares

V. Kalinichev, A. Kurushin, V. Nedera

Sistemas de antenas planas BlueTooth en teléfonos móviles

El artículo trata sobre la aplicación de antenas planas de microbanda en el sistema de comunicación local inalámbrica Bluetooth. Se consideran los diseños y métodos de análisis de una antena cerámica plana, teniendo en cuenta las pérdidas en cerámica. Para el análisis numérico de la antena en la carcasa se utilizó el programa HFSS. Para un teléfono específico, se realizaron los siguientes cálculos: distribución de corriente sobre la superficie de un metal, cubierto con un dieléctrico, cuerpo telefónico, patrones direccionales para diferentes orientaciones de un teléfono celular. Se ofrece una descripción general de las antenas Bluetooth en serie, así como recomendaciones para instalar estas antenas en la carcasa.

Introducción

El aumento de la velocidad del intercambio de información ha contribuido al desarrollo sistemas inalámbricos conexiones a nivel "hogar". Ordenadores personales y portátiles, teléfonos móviles, reproductores de CD y MP3, cámaras de vídeo y fotografías digitales y muchos otros dispositivos digitales(fig.1), a menudo conectados entre sí y a computadoras estacionarias, han creado un problema de conexión.

Figura 1. Un sistema de comunicación local de corto alcance que utiliza tecnología inalámbrica Bluetooth

El cable se ha vuelto inconveniente: debe conectarse con frecuencia, las dimensiones del cable en sí con conectores son casi más grandes que el dispositivo real que se va a conectar, etc. En este contexto, la relevancia de la tecnología inalámbrica tecnologías locales WLAN (Red de área local inalámbrica), que proporciona una conexión sin contacto del dispositivo al disco de la computadora host.

Como resultado, el sistema se propuso y se desarrolló rápidamente. inalámbrico Bluetooth (fig. 1). En el espectro de radiofrecuencia, se le asignan 79 canales en la banda de 37 MHz (aproximadamente 2 MHz cada uno) en el rango 2.4465-2.4835 GHz.

La esencia Estándar bluetooth en equipo dispositivos electrónicos transceptores que funcionan a una frecuencia de 2,45 GHz, con un alcance de hasta 10 my una velocidad de transferencia de datos de hasta 1 Mbit / s. Las posibilidades de aplicación de estos dispositivos son realmente infinitas. Audífonos inalámbricos, ratón, teclado, conexión teléfonos móviles y computadoras portátiles, el intercambio de información entre computadoras de bolsillo, solo para enumerar.

El sistema Bluetooth opera en la banda autorizada de 2.45 GHz (ISM - Industry, Science, Medicine band para aplicaciones industriales, científicas y médicas), lo que permite que los dispositivos Bluetooth se utilicen libremente en todo el mundo. La tecnología utiliza saltos de frecuencia (1600 saltos / s) con espectro ensanchado. Durante el funcionamiento, el transmisor salta de una frecuencia de funcionamiento a otra según un algoritmo pseudoaleatorio. La división de tiempo se utiliza para separar los canales de recepción y transmisión (Fig. 2). Se admite la transferencia de datos sincrónica y asincrónica y se proporciona integración con TCP / IP. Los intervalos de tiempo están sincronizados para la transmisión de paquetes, cada uno de los cuales se transmite en su propia frecuencia de la señal de radio.

Figura 2. Intercambio de datos alternativo entre el dispositivo A y el dispositivo B

El consumo de energía de los dispositivos Bluetooth debe estar dentro de los 0,1 W. Cada dispositivo tiene un código de 48 bits único. dirección de red estándar compatible con el formato redes de área local IEEE 802.

El principio de diseño básico de los sistemas Bluetooth es el uso del espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Todo el rango de frecuencia de 2,402 ... 2,480 GHz asignado para la comunicación por radio Bluetooth se divide en N canales de frecuencia. El ancho de banda de cada canal es de 1 MHz, el espaciado de canales es de 140 ... 175 kHz. La codificación por desplazamiento de frecuencia se utiliza para codificar la información del paquete.

Para EE. UU. Y Europa N = 79. La excepción es España y Francia, donde 23 se utiliza para Bluetooth. canales de frecuencia... Los canales se cambian de acuerdo con una ley pseudoaleatoria con una frecuencia de 1600 Hz. La rotación de frecuencia constante permite que la interfaz de radio Bluetooth transmita información en toda la banda ISM y evite la interferencia de dispositivos que operan en la misma banda. Si este canal es ruidoso, entonces el sistema cambiará a otro, y esto continuará hasta que se encuentre un canal libre de interferencias.

Inicio rápido Los sistemas Bluetooth se han visto facilitados en gran medida por la simplicidad de la estructura. Incluye un módulo de radio-transceptor, un controlador de comunicación (también conocido como procesador) y dispositivo de control, que en realidad implementa los protocolos Bluetooth niveles superiores así como una interfaz con un dispositivo terminal. Además, si el transceptor y el controlador de comunicación son microcircuitos especializados (integrados o híbridos), entonces los dispositivos de control de comunicación se implementan en microcontroladores estándar, procesadores de señal o sus funciones de soporte. unidades centrales de procesamiento potentes dispositivos terminales (por ejemplo, portátiles).

Además, en Dispositivos bluetooth utilizar circuitos integrados utilizados en otras aplicaciones, ya que la gama de microondas de 2 GHz se ha dominado bastante bien, y las soluciones técnicas incorporadas en Bluetooth no contienen en sí mismas mucha novedad. De hecho, el esquema de modulación está muy extendido, la tecnología de espectro ensanchado por salto de frecuencia está bien desarrollada y la potencia es baja.

La clave del éxito de la tecnología Bluetooth es el transceptor de radio. El bajo costo y la baja potencia fueron las consideraciones principales tanto en la implementación de las especificaciones de la interfaz (enlace aéreo corto) como en el diseño del transceptor. La tecnología Bluetooth le permite crear un transceptor de un solo chip, combinando RF y circuitos de procesamiento digital en un solo chip de silicio.

Transceptor bluetooth

El transceptor Bluetooth se puede dividir en tres bloques funcionales (Fig. 3). La unidad de radio contiene convertidores HF ascendentes y descendentes, IF de banda base, filtro de canal, modulador / demodulador y sintetizador de frecuencia.

Figura 3. Elementos principales del transceptor Bluetooth

La unidad de radio convierte una señal FM de 2,45 GHz en un flujo de bits y viceversa. La antena es un elemento muy importante del sistema. La antena debe ser omnidireccional y tener una ganancia de 0 dBi, y la presencia del usuario no debe interferir con la propagación de la señal. Debido a la pequeña longitud de onda a 2,45 GHz, el tamaño de la antena está limitado a unos pocos cm. Actualmente, las antenas planas o PIFA se utilizan con mayor frecuencia, sin embargo, se han propuesto diseños de tipo E incluso más pequeños sobre un sustrato cerámico. La antena se complementa con un filtro de paso de banda que separa la frecuencia de 2,45 GHz de la banda ISM.

Para implementar receptores simples y robustos y detección incoherente, Bluetooth utiliza la codificación por desplazamiento de frecuencia binaria (FSK), con un barrido de pulso gaussiano alrededor del salto de frecuencia, a una velocidad de 1 Mbps. El área de dicha señal es BT = 0,5, donde B es el ancho de banda, T es la duración del pulso, con un índice de modulación de 0,28 a 0,35 y una duración de pulso de 1 μs. FM elimina la necesidad de AGC, que es difícil de operar cuando se cambia de frecuencia y cuando los datos llegan a intervalos de tiempo irregulares. El extremo frontal del receptor de RF consta de un convertidor descendente, un filtro de paso de banda de canal y un detector de frecuencia.

El filtro de canal asigna un ancho de banda de 1 MHz y tiene requisitos de selectividad bastante altos. Dado que la banda ISM debe compartirse con otros sistemas de la banda (que pueden incluir otros sistemas Bluetooth), se deben tomar medidas para evitar la interoperabilidad entre dispositivos. Normalmente, un receptor Bluetooth se construye con conversión descendente de frecuencia (es decir, cuando el canal espejo cae en la banda de FI). Para el desacoplamiento de sistemas Bluetooth operativos cercanos, los factores de bloqueo para el canal espejo deben ser de 20, 30 y 40 dB para el primer, segundo y tercer canal adyacente.

Debido a las peculiaridades del funcionamiento del sistema Bluetooth, los requisitos técnicos para la intermodulación son más estrictos que para la sensibilidad del receptor.

Para cubrir una distancia de 10 m con una potencia de salida de 0 dBm, la sensibilidad del receptor P min = -70 dBm es suficiente. Teniendo en cuenta el nivel de ruido a la entrada del receptor de -114 dBm (en una banda de ruido de 1 MHz) y el requisito a la salida del trayecto de recepción K m = 21 dB, para garantizar la tasa máxima de error de transmisión de información BER = 0,1 %, obtenemos que el factor de ruido es de 13 dB ... Este valor se calcula a partir de la fórmula para la sensibilidad

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

donde -174 dBm es la potencia de ruido térmico (kTB) en un ancho de banda de 1 Hz en temperatura normal; NF - factor de ruido, dB; B - banda de frecuencia frente al demodulador, 1 MHz; a - umbral de respuesta, a = 3 dB; K m - coeficiente según el tipo de modulación.

En comparación con la cifra de ruido alcanzada hasta la fecha, que está muy por debajo de los 13 dB, parece una cifra bastante pobre. Sin embargo, este bajo requisito permite el uso de componentes con pérdidas de bajo costo y proporciona protección contra señales interferentes (sustrato y cableado de alimentación).

Calcular el rango dinámico de un receptor Bluetooth

El límite superior del rango dinámico se puede estimar por el nivel del producto de distorsión de intermodulación de tercer orden, si asumimos que hay 2 señales en la entrada con las frecuencias de dos canales adyacentes.

Dos señales con frecuencias f 0 + D f y f 0 + 2D f producen un producto de distorsión de intermodulación de tercer orden P IM3 en el canal de radio considerado con una frecuencia f 0. El nivel de potencia del producto P IM3 depende de la señal de entrada de la potencia interferente P in y del parámetro no lineal de todo el receptor - el punto de intercepción de tercer orden IP 3 - y es igual a:

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

Libre de distorsiones gama dinámica Se determina a partir de la condición de que las distorsiones de origen lineal y no lineal tengan el mismo efecto sobre la distorsión en el demodulador y degraden igualmente la detección de la propia señal. Esto significa que para que la BER no supere el mismo valor de 0,1%, que se estableció al determinar la sensibilidad, es necesario que la potencia de la señal recibida sea 3 dB superior al nivel de ruido (que corresponde a la sensibilidad del receptor Pmin ). Por lo tanto, se obtuvo IP3 = -16 dBm en la Ecuación (2), siempre que el producto de intermodulación PIM3 sea igual a la sensibilidad del receptor, las dos señales interferentes tengan una potencia de 0 dBm y la interferencia esté presente a una distancia de 1 m .

Combinando el valor IP3 = -16 dBm con la sensibilidad del receptor P min = -70 dBm, de (1) y (2) obtenemos que el rango dinámico libre de distorsiones (SFDR) del receptor Bluetooth debe ser igual a

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

El bloque transmisor también es bastante simple. La modulación GFSK binaria se obtiene mediante la modulación directa del oscilador local de FM. Por lo tanto, no son necesarias conversiones de fase ascendente adicionales. La señal de banda base tiene un filtrado gaussiano para mantener un ancho de banda de 1 MHz como se requiere para los sistemas FM que operan en la banda ISM de 2,45 GHz. La modulación de envolvente gaussiana no impone grandes exigencias a la linealidad de la etapa de salida del transmisor, y aquí se pueden utilizar amplificadores de clase C económicos.

La potencia del transmisor Bluetooth es de aproximadamente 0 dBm (se puede utilizar una potencia máxima de hasta 20 dBm). Para niveles de potencia superiores a 0 dBm, se aplica control de potencia de bucle cerrado.

Cálculo del alcance de un teléfono celular en el sistema Bluetooth.

Se sabe que la potencia de la señal de radio en el punto de recepción P n es igual a:

donde P es la potencia emitida por el transmisor; G m es la ganancia máxima de la antena transmisora; A eff.m - el área efectiva máxima de la antena receptora (proporcional al área geométrica de la antena); F (,) - función del diagrama de radiación de la antena transmisora; F "(", ") - función de patrón direccional de la antena receptora.

A partir de esta fórmula, puede obtener el rango máximo de comunicación por radio, siempre que las antenas estén orientadas entre sí,

donde P n.min es la sensibilidad del receptor, en nuestro caso P n.min = 10-10 W (-70 dBm).

Sustituyendo en la fórmula (4) la potencia del transmisor P = 10-3 W, G m = 0.5, A eff.m = 25 · 10 -6 (5 por 5 mm), obtenemos r m = 3 m.

Este valor corresponde aproximadamente a los requisitos del sistema Bluetooth, y puede servir como punto de partida para el cálculo de la geometría de la antena, ya que el resto de características vienen determinadas por el estándar del chip transceptor.

Antenas para Bluetooth (descripción general de fabricantes y soluciones)

Varias firmas como Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion y otras ya producen una amplia gama de antenas que se utilizan en telefonía celular y están diseñadas específicamente para sistemas Bluetooth que utilizan materiales cerámicos con buenas propiedades de RF.

Hitachi Metals ha lanzado las antenas de "Configuración de electrodo tipo E" (Figura 4) adecuadas para aplicaciones Bluetooth. El espacio requerido para la nueva antena es muy pequeño (15x3x2 mm), no es sensible a la ubicación de las partes periféricas, se puede hacer como una antena de cristal de alto rendimiento para Bluetooth, fácil de usar.

Figura 4. Vista de la antena de Hitachi Metals para Bluetooth

Antek Wireless Inc. ha desarrollado una novedosa antena de 2,4 GHz con un ingenioso diseño que supera prácticamente cualquier especificación de proyecto, está miniaturizada y se puede instalar en casi cualquier dispositivo. La antena es aplicable para una variedad de aplicaciones tales como transmisión inalámbrica de video, equipos de audio, auriculares, módems, computadoras móviles, teléfonos portátiles y otros dispositivos de mano que utilizan los protocolos Bluetooth, IEEE 802.11 y HomeRF.

Centurion International ha desarrollado una antena PIFA interna, o variaciones de antena plana, para su uso en computadoras portátiles que utilizan tecnología Bluetooth. La nueva antena permite a los fabricantes de computadoras desarrollar dispositivos portátiles que se comunican fácilmente con teléfonos portátiles y sistemas de mensajería y se conectan a Internet a altas velocidades de datos.

Murata Manufacturing Co. comenzó a fabricar y vender antenas dieléctricas integradas para computadoras portátiles que utilizan tecnología Bluetooth (Fig. 5). Las dimensiones del módulo de la nueva serie G2 son 15x5,8x7,0 mm.

Figura 5. Chip de antena ANCG22G41 Murata

Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. Limitado. Lanza una antena ultracompacta para dispositivos Bluetooth. La antena está realizada sobre una base de cerámica y mide 5x1,2x1,2 mm. Es la antena más pequeña de la industria de Bluetooth. Las características de la antena son las siguientes: frecuencia de funcionamiento 2,4 GHz, ganancia -2 dBi, relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) 2,0.

Figura 6. Antena de cerámica en la carcasa del teléfono celular (foto)

TDK Corp. fabrica dos pequeñas antenas de media onda (7 x 7 mm) para su uso en productos basados ​​en tecnología Bluetooth. La antena CANPB0715 tiene una ganancia de -5 dBi y la antena CANPB0716 tiene una ganancia de 3 dBi. La mayoría de las otras antenas pequeñas son antenas de un cuarto de longitud de onda. Su uso solo es posible en dispositivos móviles más grandes, como computadoras portátiles, donde la conexión a tierra se lleva a cabo en la carcasa del dispositivo. Se requirió el desarrollo de antenas de media onda para teléfonos móviles.

Figura 7. Vista 3D de una antena Bluetooth en una carcasa de teléfono celular metalizada (dibujo en HFSS)

Configuración de antena tipo E

Anteriormente, las antenas tenían dos configuraciones básicas: una antena inversa no balanceada de tipo F y una antena plana.

Una antena F invertida tiene un lado abierto y el otro conectado a tierra para reducir el tamaño, pero el lado abierto está influenciado por el electrodo de tierra. Por lo tanto, se requiere un área grande para realizar las propiedades de la antena en un espacio dado, y se debe tener cuidado al diseñar la disposición de los componentes periféricos.

Además, la antena plana es muy sensible (alta ganancia) y tiene fuertes propiedades direccionales, lo que la hace inadecuada para aplicaciones Bluetooth donde se requiere omnidireccionalidad.

El tipo de antena, desarrollado por Hitachi Metals, tiene los beneficios únicos de una antena inversa tipo F, pero incluye electrodos de puesta a tierra en ambos lados y agrega un electrodo central cónico. En otras palabras, la nueva configuración de electrodo tipo E inventada por Hitachi Metals se puede miniaturizar aún más y no afecta significativamente a los electrodos de tierra cercanos. Cuanto más pequeña es la antena, menos afecta el caso a sus parámetros.

El análisis de todos los diseños de antena para el sistema Bluetooth, dado anteriormente, le permite seleccionar los parámetros principales de la antena incluidos en la especificación de la antena, sobre la base de los cuales puede elegir un método para diseñar un teléfono celular con dicha antena.

Especificaciones de la antena Bluetooth:

• banda de frecuencia de funcionamiento: 2400 ... 2500 MHz;
• ganancia media: -3 dBi;
• impedancia de entrada: 50 ohmios;
• VSWR: 3 o menos.

En el proceso de diseño de un sistema de antena, es necesario:

• calcular la estructura de adaptación entre la entrada del filtro y el punto de alimentación de la antena de microbanda;
• optimizar la superficie del suelo (a veces llamada contrapeso), es decir, encontrar el relleno óptimo de la superficie interna de la carcasa del teléfono con áreas conductoras. Hoy en día, esto se hace a menudo pintando partes individuales de la carcasa con pintura conductora.

El objetivo del diseño de la antena es obtener el patrón de radiación (DP) requerido y una buena adaptación en la banda de frecuencia operativa.

Análisis de la estructura generalizada de una antena plana.

De una revisión de las antenas existentes para el sistema Bluetooth, se puede ver que tienen formas metálicas de configuración compleja, depositadas en uno o más lados de un sustrato tridimensional, la mayoría de las veces de cerámica con una alta permeabilidad (Fig.8). Por tanto, podemos decir que cada una de estas formas es un resonador. Se sabe que el tamaño de la antena está relacionado con la frecuencia de funcionamiento. Suponiendo que la antena resuena a lo largo del lado más largo, entonces la longitud de la antena se puede estimar usando la siguiente fórmula simple:

donde f r es la frecuencia resonante dada; es la constante dieléctrica relativa del material del sustrato. Esta fórmula no tiene en cuenta el efecto de la anchura del sustrato de la antena y el grosor del sustrato sobre la frecuencia de resonancia, pero este efecto suele ser insignificante. La fórmula (1) refleja la naturaleza física de la antena impresa (Fig. 9) como un resonador de media onda que se forma en el espacio entre el conductor superior y el plano de tierra de la antena. Por ejemplo, a una frecuencia f r = 2.5 GHz y = 34 (cerámica) de (1) tenemos A ~ = 10.3 mm.

Figura 8. Geometría de la antena Bluetooth YCE-5207 en AutoCAD

Figura 9. Antena Bluetooth (vista superior) diseñada en AutoCAD

La longitud de la antena se puede reducir al menos a la mitad (cuando se opera a la misma frecuencia) si un extremo de la antena está conectado a tierra. En este caso, obtiene la llamada antena F invertida (PIFA), que es un resonador de cuarto de onda, un extremo del cual está conectado a tierra y el otro está abierto (inactivo). El PIFA (Fig. 3) es impulsado por la línea coaxial en el punto donde la impedancia de entrada de la antena es cercana a 50 ohmios. Por lo tanto, la longitud de PIFA se puede estimar aproximadamente como

Para una antena sintonizada a la misma frecuencia f r = 2.5 GHz y = 34, obtenemos un ~ = 5.1 mm, que ya ocupa mucho menos espacio que en el caso anterior. El tamaño real de la antena puede ser incluso menor debido al efecto de campo cercano concentrado en el extremo abierto del resonador.

El tamaño de la antena E, dado que se enrolla en ambos lados, se puede estimar aproximadamente como

Dado que las antenas para el sistema Bluetooth se encuentran en una pantalla semicerrada compleja, las características del sistema de antena pueden diferir significativamente de las características calculadas utilizando las fórmulas teóricas. En este caso, los parámetros de la antena (dimensiones de los conductores y la distancia entre ellos en altura) se pueden optimizar utilizando uno de los paquetes de software Modelado de estructuras electromagnéticas (Fig. 10).

Figura 10. Campo cercano en un teléfono celular (en el campo del programa HFSS)

Tenga en cuenta que la ventaja del pequeño tamaño de la antena PIFA se logra debido a una disminución en su emisividad (solo emite un borde), además, las antenas PIFA suelen ser de banda estrecha.

Métodos numéricos para el diseño de antenas planas

Las antenas son los componentes principales de todos los sistemas de comunicación por radio y utilizan el espacio libre como medio de transporte. Se utilizan para interconectar un transmisor o receptor en el espacio libre.

Las antenas tienen varios parámetros importantes, de los cuales los más interesantes son la ganancia, el patrón de radiación, el ancho de banda y la polarización.

El diseño moderno de antenas de telefonía celular (Fig. 11) se basa en el modelado de fenómenos electromagnéticos en una computadora, utilizando los resultados obtenidos a partir de cálculos esquemáticos y consideraciones heurísticas como datos iniciales.

Figura 11. Vista de la antena Bluetooth en la carcasa del teléfono celular

Al crear un modelo, debe recordarse que la geometría debe corresponder a la posición real de la antena durante el funcionamiento, es decir, de manera que el cuerpo esté en posición vertical (o en un ligero ángulo). En este caso, la antena plana está en la posición "en el borde".

Características de las antenas cerámicas en miniatura

La antena de cerámica está realizada sobre un sustrato con una constante dieléctrica elevada. El material de alta permeabilidad también tiene grandes pérdidas.

Por tanto, el cálculo de dichas antenas debe realizarse mediante programas que tengan en cuenta fundamentalmente las pérdidas en cerámica. Tal programa es el programa HFSS.

Para instalar con éxito una antena plana en el diseño de un tubo de teléfono celular, es necesario realizar estudios computacionales que muestren la dependencia de las características del sistema de antena de ciertos elementos del diseño del teléfono.

Tenga en cuenta las siguientes características de las antenas microstrip:

• las antenas de microbanda son más estrechas que las antenas espirales;
• Las antenas de microbanda logran fácilmente una polarización circular, en comparación con la polarización predominantemente vertical de las antenas helicoidales;
• Las antenas de microcinta tienen un patrón de radiación más desigual en el plano azimutal que las antenas espirales y dipolo debido a su asimetría con respecto al eje vertical.

Como ya se señaló, una antena de cerámica es una estructura 3D, en la superficie de cada lado de la cual se aplican conductores metálicos de cierta forma. Este diseño puede tener uno o más puntos de excitación. Se aplica un voltaje excitante a la antena en estos puntos, lo que induce corrientes de radiación en la estructura. Los puntos de excitación se pueden conectar mediante un balun.

Además de los puntos de excitación, puede haber puntos de tierra (conexiones al plano de tierra) en la antena impresa. Las corrientes inducidas en este diseño complejo forman el patrón de radiación e implementan otras características de antena necesarias para establecer comunicación con computadora personal u otro dispositivo.

Dado que, como resultado del cálculo electrodinámico, es posible determinar la distribución de corrientes en el sistema, su análisis puede servir como base para actualizar la antena.

En el proceso de diseño de una antena, es necesario, en primer lugar, obtener una impedancia de entrada cercana a los 50 Ohmios, ya que en este caso será posible emparejar la antena con un amplificador de entrada de bajo ruido y un amplificador de potencia de la ruta de transmisión con menos pérdidas.

Por ejemplo, si el valor de la pérdida de retorno de la antena (parámetro 20 log | S 11 |) es del orden de -20 dB, esto indica que en el rango de frecuencia de operación la antena funcionará con una buena correspondencia con el espacio circundante. . Un valor de -20 dB indica que la potencia del generador será absorbida casi sin reflejos por la antena, que a su vez se carga con espacio libre. Una antena es un transformador entre la salida del amplificador de potencia (o la entrada de un amplificador de bajo ruido) y el espacio libre. impedancia de onda que para una onda plana en la zona lejana se puede considerar igual a 377 ohmios.

El siguiente requisito son las características de radiación, que determinan la capacidad de la antena para irradiar en diferentes direcciones. Al diseñar y calcular antenas, generalmente están interesados ​​en las secciones transversales del patrón de radiación en dos planos mutuamente perpendiculares: acimut y elevación. El patrón azimutal determina la capacidad de la antena para irradiar en el plano horizontal y el patrón de elevación, en el plano vertical. Ambos son importantes para un teléfono celular, pero el primero determina la omnidireccionalidad y es más característico para evaluar la radiación en condiciones de funcionamiento. Los parámetros de directividad de la antena impresa o sus modificaciones no deberían ser peores que los de las antenas de látigo en espiral existentes.

Cálculo de las características de radiación de una antena Bluetooth

La tabla muestra los resultados de modelar una antena en una carcasa utilizando las dimensiones geométricas exactas de un diseño particular. Puede verse en la tabla que los parámetros de la estructura calculada difieren significativamente de los parámetros de coincidencia medidos (Fig. 16). Por tanto, analizaremos las razones de estas diferencias.

Mesa. Potencia radiada por antena, directividad, ganancia y magnitud en ausencia de pérdida de sustrato (constante dieléctrica = 0). La potencia nominal del generador en la entrada (puerto) es de 1 W

Frecuencia F	P fuera Potencia radiada, cálculo, W (suma calculada de potencias a través del plano de radiación)	D Directividad, dB (calculada en HFSS)	Ganancia G, dB = P rad / P nom	S 11 Liquidación 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

La mayor diferencia fundamental entre el diseño calculado y el real radica en los parámetros del sustrato. Así, los datos de cálculo dados en la tabla corresponden al caso idealizado de ausencia de pérdidas en el sustrato cerámico. En este caso idealizado, encontraremos la conexión entre los parámetros de la tabla sin pérdidas.

Prad se calcula mediante el programa HFSS a lo largo de todo el límite de radiación. Toda la potencia que atraviesa las paredes, que denota el límite del campo lejano, se suma y da este P rad.

Si el sustrato y los conductores no tienen pérdidas, entonces se irradia toda la potencia que ha llegado a la antena, es decir, P rad. = P ant, y esta potencia que llega a la antena y luego se irradia está determinada, a su vez, por el desajuste:

P rad = P ant = P nom (1 - | S 11 | ²), (7)

donde P nom es la potencia nominal del generador. Basado en HFSS, se establece en 1 W.

A una frecuencia de 2 GHz, de acuerdo con la tabla, de (7) tenemos

P ant = 1 (1 - | 0.96 | ²) = 0.07W,

que corresponde al valor calculado de P rad en la tabla.

La ganancia de la antena es por definición igual a

Sustituyendo (7) en (8), obtenemos, en una escala logarítmica,

G = 10lg (1 - | S 11 | ²) + D. (9)

Para una frecuencia de 2 GHz, tenemos ganancia de antena

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

Entonces, hemos mostrado la relación de los parámetros de la antena para el caso sin pérdidas en el sustrato.

Reescribamos (7) como sigue:

Al analizar el cálculo de HFSS, vemos que a 2 GHz y a otras frecuencias, la ganancia de la antena es pobre y, lo más importante, hay una falta de coincidencia de la antena (Fig. 12). Sin embargo, el experimento muestra que la ganancia de la antena es mucho mayor, incluso sin encender los circuitos correspondientes. ¿Qué pasa? Curiosamente, la presencia de pérdidas en el sustrato cerámico ayuda a igualar la antena y mejorar el rendimiento de una antena pequeña, en comparación con una antena convencional, cuyas dimensiones son acordes con la longitud de onda. De hecho, al aumentar las pérdidas a un valor de tg = 0.1 (por supuesto, irrealmente grande), utilizando el método de cálculo HFSS, obtenemos las dependencias de emparejamiento que se muestran en la Fig. trece.

Figura 12. Respuesta de frecuencia de la antena Bluetooth con parámetros cerámicos = 34, tg = 0 (sin pérdida). Se puede ver en la figura que el acuerdo es pobre.

Figura 13. Respuesta de frecuencia de la antena Bluetooth con parámetros cerámicos = 34, tg = 0.1 (a una frecuencia de 2 GHz)

Para investigar la eficiencia de la antena en función de las pérdidas, calculemos las dependencias de las características de la antena en la carcasa de las pérdidas en la cerámica. La cerámica tiene pérdidas, y los cálculos muestran que si asumimos que no hay pérdida, entonces la antena tiene una correspondencia deficiente, si hay pérdida, la correspondencia mejora.

El programa calcula numéricamente la potencia P de radiación como la suma de las potencias incidentes en todos los límites de radiación. Esta potencia es menor que la potencia nominal del generador y es solo una parte de ella.

Dado que en este caso tenemos pérdidas, se definen como la diferencia de potencia entre el caso sin pérdidas, fórmula (7), y el valor de P rad. La igualdad P rad = P ant ya no es válida, estas potencias se diferencian por las pérdidas de potencia en el sustrato:

P rad = P ant - P absor. (once)

Sustituyendo (11) en la fórmula (8), encontramos que la ganancia de la antena, teniendo en cuenta las pérdidas en cerámica, se encuentra mediante la fórmula

que se puede representar como

| S 11 | ² = 1 - Ktg - G / D, (13)

donde K * tg = P absorción / P nom, K en el caso general no es igual a 1.

A partir de (13) se puede ver que | S 11 | ² disminuye al aumentar las pérdidas, y se puede entender por qué la adaptación con la antena se logra más fácilmente en el caso de cerámicas con pérdidas.

Figura 14. Patrón de radiación en ángulo del sistema de antena Bluetooth

Figura 15. Patrón azimutal de un teléfono celular con un sistema de antena Bluetooth

Los cálculos muestran que la influencia del cuerpo del usuario en el patrón de radiación de una antena pequeña es mucho menor que en el patrón de antena de la antena principal de un teléfono celular. Lo mismo puede decirse del efecto inverso de la potencia radiada de la antena Bluetooth en el cuerpo humano.

Estudio experimental de una antena plana.

La sintonización experimental de la antena se puede realizar de acuerdo con el criterio de coincidencia y de acuerdo con el criterio de DP. En la Fig. 16 muestra la respuesta de frecuencia medida de S11 graficada en un gráfico de Smith.

Figura 16. La impedancia de entrada de la antena en la carcasa medida en el analizador de red

Estas medidas experimentales se realizaron con un medidor de circuito HP8632.

Una medición experimental del desplazamiento de la frecuencia de resonancia del sistema de antena cuando la antena estaba protegida con una pantalla mostró que la deriva de la frecuencia de resonancia cuando la antena se insertó en la carcasa era de 50 MHz.

Conclusión

El artículo analiza las características de modelar una antena de microbanda en el sistema Bluetooth, diseñada para la comunicación local inalámbrica. Considerado el sistema Bluetooth en un teléfono celular. caracteristica principal el funcionamiento del sistema de antena: el funcionamiento de la antena en una carcasa altamente metalizada, es decir, con un gran contrapeso. Por tanto, para calcular las corrientes inducidas por la antena en la superficie de la carcasa, es necesario utilizar el programa de análisis en representación 3D. Tal programa es HFSS. En este caso, modelar la antena junto con los demás elementos de la carcasa constituye una parte esencial de todo el proceso de diseño de la antena y el tubo.

Las peculiaridades del proceso de modelado se demuestran en los ejemplos de la antena de parche YCE-5207 de Yocowo, que está representada por una combinación de una plataforma metálica rectangular y una línea de microbanda en cerámica con una constante dieléctrica alta de formas bastante complejas. Los resultados de un análisis específico se presentan como características de frecuencia coeficiente de reflexión, corrientes en la caja, campo cercano y DN. Se muestra la influencia de los elementos del cuerpo del tubo en el patrón de radiación en la zona lejana. Se consideran las opciones de montaje de antena externa e interna.

Literatura

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2. Balanis C.A. Teoría de la antena: análisis y diseño, Wiley & Sons. 2ª edición. 1997.
3. Fujimoto K. y James J.R. (editores). Manual de sistemas de antenas móviles. 2ª edición. Casa Artech. 2001.710 p.
4. Kessenikh V., Ivanov E., Kondrashov Z. Bluetooth: Principios de construcción y funcionamiento // Chip News. 2001. No. 7. P. 54–56.
5. Kalinichev V., Kurushin A. Antenas microstrip para teléfonos móviles // Chip News. 2001. No. 7. P. 6-12.

Los dispositivos inalámbricos son muy convenientes: ya no necesita preocuparse por los cables, pero debe comprender claramente que la comunicación "por aire" tiene ciertas limitaciones en el radio. Además, cuanto más barato, por ejemplo, un adaptador Bluetooth que compre para su computadora, menos podrá alejarse de él para obtener una conexión estable. Por supuesto, algunos dispositivos costosos no siempre dan buenos resultados. Hoy hablaremos sobre cómo amplificar la señal de Bluetooth y qué tan realista es.

información general

El artículo describe algunos métodos que implican desmontar el adaptador, reemplazar sus partes o modificarlo con soldadura, lo que puede no ser adecuado para todos. Si no tiene conocimientos de electrónica, no es muy ágil en el uso de un soldador o su dispositivo está en garantía, evite estos métodos.

Complementando el adaptador

El método más simple, pero no el más efectivo, de cómo aumentar la velocidad de Bluetooth es agregar un reflector al adaptador, que dirigirá la señal en una dirección específica, en lugar de amplificar su propagación 360 grados.

Puede intentar hacer un reflector de este tipo con una lata de cerveza cortando la parte superior y haciendo algunas ranuras más: de arriba a abajo y luego ligeramente hacia los lados, como si separara ligeramente el fondo de la lata.

El adaptador Bluetooth se conecta a lo que quieras en el centro y se conecta a la computadora con un adaptador USB.

Se puede construir algo similar a partir de cartón con papel de aluminio pegado.

Otra opción que podría funcionar es cortar solo la parte superior de la lata, luego cortar una ranura para el cuerpo más cerca de la parte inferior de la lata e insertar el adaptador hacia adentro con el lado de la antena. Luego, nuevamente, lo arreglamos con un método conveniente y lo conectamos a través de un cable de extensión.

Modificaciones

Y ahora hablaremos de métodos que implican modificación física del propio adaptador. En los más económicos difícilmente encontrarás una antena externa, que, de hecho, es su problema.

Abrimos el estuche, si existe tal oportunidad, y estamos buscando una antena SMD que esté soldada a la placa; deberá evaporarla, solo con mucho cuidado, sin sobrecalentar la pieza.

Luego soldamos el conector SMA en lugar de la antena, antes de quitar todo lo innecesario: no tocamos la parte en la que está atornillada la antena, sino que en el otro extremo cortamos el borde, separamos la pantalla y las venas, límpielos, modifíquelos y suéldelos.

Si tiene alguna duda sobre dónde soldar qué, lo mejor es acudir a los foros de radioaficionados.

Ahora conectamos una antena a lo que hemos hecho, que se puede desviar de forma segura del antiguo Wi-Fi.

Si ya tiene un dispositivo más caro con una antena externa, pero aún no está satisfecho con la señal, entonces la antena Hyper Gain puede salvar la situación: cómprela, corte el adaptador para la conexión y separe la pantalla del núcleo.