Poprawa sygnału Bluetooth: sposoby dla wykwalifikowanych. Systemy anten planarnych BlueTooth w telefonach komórkowych Połączenie anteny zewnętrznej z modułem bluetooth

Teraz dość często produkują smartfony, telefony czy komunikatory z wbudowanym Adapter Wi-Fi... A zasięg Wi-Fi wynosi około stu metrów, ale telefony wyposażone w Bluetooth przesyłają i odbierają pliki tylko w odległości nie większej niż dziesięć metrów. Jeśli masz USB-blutooth do komputera, a także telefon bluetooth, ale chciałbyś uzyskać zwiększenie zasięgu odbioru. Wszystko to jest całkiem możliwe, ale konieczne jest ulepszenie USB-bluetooth.

Cóż, zacznijmy. Demontujemy adapter bluetooth do komputera, po czym musisz debugować obudowę bluetooth i bardzo dokładnie sprawdzić płytkę adaptera.

We wszystkich modelach adapterów na końcu płytki znajduje się miedziany styk, podobny do spirali, na zdjęciu numer 1. Ta spirala to antena bluetooth, do której zostanie przylutowana dodatkowa antena domowej roboty.

Potrzebujemy jednożyłowego drutu miedzianego o średnicy od 0,4 do 0,8 mm. Drut pokryty jest izolacją lakierniczą i nie trzeba go całkowicie usuwać. Skręcimy drut, jak pokazano na zdjęciu, a następnie przetworzymy końcówkę drutu miedzianego kalafonią, a następnie cyną. Tę samą procedurę należy wykonać za pomocą miedzianej spirali w bluetooth, nie przegrzewaj płytki adaptera, wykonuj całą pracę bardzo ostrożnie.

Następnie musisz zrobić otwór w samym etui na adapter bluetooth, w punkcie wyjścia antena domowej roboty... Teraz bardzo ostrożnie zamkniemy tablicę w etui. Tak więc zmodernizowany bluetooth jest gotowy, co daje 4-krotny wzrost zasięgu odbioru.

Aby jeszcze bardziej zwiększyć zasięg odbioru, można wziąć odpowiednio długi linkę, która będzie pokryta izolacją, trzeba rozebrać końcówkę i nawinąć ją na antenę, drugą końcówkę można przymocować do małego gwoździa wbitego w ścianę.

Kilka firm, takich jak Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion i inne, produkuje już szeroką gamę anten, które są wykorzystywane w telefonii komórkowej i są specjalnie zaprojektowane do systemów Bluetooth przy użyciu materiałów ceramicznych o dobrych właściwościach RF.

Firma Hitachi Metals wypuściła anteny „Konfiguracja elektrod typu E” (Rysunek 28) dobrze przystosowane do zastosowań Bluetooth. Przestrzeń wymagana dla nowej anteny jest bardzo mała (15x3x2 mm), nie jest wrażliwa na położenie części peryferyjnych, może być wykonana jako wysokiej jakości antena kryształowa do Bluetooth, łatwa w użyciu.

Ryż. 28

Antek Wireless Inc. opracował nowatorską antenę 2,4 GHz o pomysłowej konstrukcji, która przewyższa praktycznie każdą specyfikację projektu, jest zminiaturyzowany i może być zainstalowany w prawie każdym urządzeniu. Antena ma zastosowanie w różnych zastosowaniach takich jak bezprzewodowa transmisja wideo, sprzęt audio, słuchawki, modemy, komputery mobilne, telefony przenośne i inne przenośne urządzenia przenośne korzystające z protokołów Bluetooth, IEEE 802.11 i HomeRF.

Firma Centurion International opracowała wewnętrzną antenę PIFA lub warianty anteny płaskiej do użytku w laptopach wykorzystujących technologię Bluetooth. Nowa antena umożliwia rozwój producentów komputerów urządzenia przenośne które łatwo łączą się z telefony przenośne a systemy przesyłania wiadomości łączą się z Internetem z dużą szybkością transmisji danych.

Murata Manufacturing Co. rozpoczęła produkcję i sprzedaż wbudowanych anten dielektrycznych do laptopów wykorzystujących technologię Bluetooth (rys. 29). Wymiary modułu Nowa seria G2 - 15x5,8x7,0mm.

Ryż. 29

Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. Sp. z o.o. Wprowadza ultrakompaktową antenę do urządzeń Bluetooth (30). Antena wykonana jest na ceramicznej podstawie i ma wymiary 5x1,2x1,2 mm. Jest to najmniejsza antena w branży Bluetooth. Charakterystyka anteny jest następująca: częstotliwość pracy 2,4 GHz, zysk -2 dBi, współczynnik fali stojącej napięcia (VSWR) 2,0.

TDK Corp. produkuje dwie małe anteny półfalowe (7 x 7 mm) do zastosowania w produktach opartych na technologii Bluetooth. Antena CANPB0715 ma zysk -5 dBi, a antena CANPB0716 ma zysk 3 dBi. Większość innych małych anten to anteny ćwierć długości fali. Ich zastosowanie jest możliwe tylko w większych urządzenia mobilne np. laptopy, gdzie uziemienie jest doprowadzone do obudowy urządzenia.

Wcześniej anteny miały dwie podstawowe konfiguracje: antena z odwróconą niezbalansowaną anteną typu F i antena płaska. Odwrócona antena F ma jedną stronę otwartą, a drugą uziemioną w celu zmniejszenia rozmiaru, ale otwarta strona jest pod wpływem elektrody uziemiającej.

Ryż. trzydzieści

Dlatego do realizacji właściwości anteny w danej przestrzeni wymagany jest duży obszar i należy zachować ostrożność przy projektowaniu rozmieszczenia elementów peryferyjnych. Ponadto płaska antena jest bardzo czuła (wysoki zysk) i ma silne właściwości kierunkowe, co sprawia, że ​​nie nadaje się do zastosowań Bluetooth, w których wymagana jest wielokierunkowość.

Typ anteny, opracowany przez Hitachi Metals, ma unikalne zalety anteny zwrotnej typu F, ale zawiera elektrody uziemiające po obu stronach i dodaje środkową, stożkową elektrodę. Innymi słowy, nowa konfiguracja elektrod typu E wynaleziona przez Hitachi Metals może być jeszcze bardziej zminiaturyzowana i nie wpływa znacząco na pobliskie elektrody uziemiające. Im mniejsza antena, tym obudowa w mniejszym stopniu wpływa na jej parametry.

Podana powyżej analiza wszystkich konstrukcji anten dla systemu Bluetooth pozwala na dobranie głównych parametrów anteny zawartych w specyfikacji anteny, na podstawie których można dobrać sposób projektowania telefonu komórkowego z taką anteną.

Dane techniczne anteny Bluetooth:

Pracujące pasmo częstotliwości: 2400 ... 2500 MHz;

Średni zysk: -3 dBi;

Impedancja wejściowa: 50 Ohm;

VSWR: 3 lub mniej.

W procesie projektowania systemu antenowego konieczne jest:

Zoptymalizuj powierzchnię podłoża (czasami nazywaną przeciwwagą), czyli znajdź optymalne wypełnienie wewnętrznej powierzchni obudowy telefonu obszarami przewodzącymi. W dzisiejszych czasach często odbywa się to poprzez malowanie poszczególnych części obudowy farbą przewodzącą.

Celem konstrukcji anteny jest uzyskanie wymaganej charakterystyki promieniowania (DP) i dobrego dopasowania w zakresie częstotliwości pracy.

Planarny systemy antenowe BlueTooth w telefony komórkowe

W. Kaliniczew, A. Kurushin, W. Nedera

Planarne systemy antenowe BlueTooth w telefonach komórkowych

Artykuł dotyczy zastosowania planarnych anten mikropaskowych w bezprzewodowym systemie komunikacji lokalnej Bluetooth. Rozważono konstrukcje i metody analizy płaskiej anteny ceramicznej z uwzględnieniem strat w ceramice. Do analizy numerycznej anteny w obudowie wykorzystano program HFSS. Dla konkretnej słuchawki wykonano obliczenia: rozkład prądu na powierzchni metalu pokrytego dielektrykiem, korpus telefonu, wzory kierunkowe dla różnych orientacji telefonu komórkowego. Podano przegląd anten szeregowych Bluetooth, a także zalecenia dotyczące instalacji tych anten w obudowie.

Wstęp

Do rozwoju przyczynił się wzrost szybkości wymiany informacji systemy bezprzewodowe połączenia na poziomie „domu”. Komputery osobiste i laptopy, telefony komórkowe, odtwarzacze CD i MP3, cyfrowe kamery fotograficzne i wideo oraz wiele innych urządzenia cyfrowe(ryc. 1), często połączone ze sobą i do komputery stacjonarne, stworzył problem ich połączenia.

Rysunek 1. Lokalny system komunikacji krótkiego zasięgu wykorzystujący technologię bezprzewodową Bluetooth

Kabel stał się niewygodny - trzeba często łączyć, wymiary samego kabla ze złączami są prawie większe niż rzeczywiste urządzenie, które ma być podłączone, i tak dalej. Na tym tle znaczenie łączności bezprzewodowej lokalne technologie WLAN (Wireless Local Area Networking), zapewniający bezstykowe połączenie urządzenia z dyskiem komputera hosta.

W rezultacie system został zaproponowany i szybko rozwinięty. bezprzewodowy Bluetooth (rys. 1). W widmie częstotliwości radiowych przydzielono mu 79 kanałów w paśmie 37 MHz (po około 2 MHz każdy) w zakresie 2,4465-2,4835 GHz.

Esencja Standard Bluetooth w sprzęcie urządzenia elektryczne transceivery pracujące na częstotliwości 2,45 GHz, mające zasięg do 10 m i szybkość transmisji danych do 1 Mbit/s. Możliwości zastosowania tych urządzeń są naprawdę nieograniczone. Słuchawki bezprzewodowe, mysz, klawiatura, połączenie telefony komórkowe i laptopy, wymiana informacji pomiędzy komputerami kieszonkowymi - wystarczy wymienić.

System Bluetooth działa w autoryzowanym paśmie 2,45 GHz (pasmo ISM - Industry, Science, Medicine do zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych), co pozwala na swobodne korzystanie z urządzeń Bluetooth na całym świecie. Technologia wykorzystuje przeskok częstotliwości (1600 przeskoków/s) z widmem rozproszonym. Podczas pracy nadajnik przeskakuje z jednej częstotliwości roboczej na drugą zgodnie z algorytmem pseudolosowym. Podział czasu służy do rozdzielenia kanałów odbiorczych i nadawczych (rys. 2). Obsługiwany jest synchroniczny i asynchroniczny transfer danych oraz zapewniona jest integracja z protokołem TCP/IP. Szczeliny czasowe są synchronizowane do transmisji pakietów, z których każdy jest transmitowany na własnej częstotliwości sygnału radiowego.

Rysunek 2. Sekwencyjna wymiana danych między urządzeniem A i urządzeniem B

Pobór mocy urządzeń Bluetooth powinien mieścić się w granicach 0,1 W. Każde urządzenie ma unikalny 48-bitowy adres sieciowy standard zgodny z formatem sieci lokalne IEEE 802.

Podstawową zasadą projektowania systemów Bluetooth jest wykorzystanie metody Frequency Hop Spread Spectrum (FHSS). Cały zakres częstotliwości 2,402…2,480 GHz przeznaczony do komunikacji radiowej Bluetooth jest podzielony na N kanałów częstotliwości. Szerokość pasma każdego kanału wynosi 1 MHz, odstęp międzykanałowy 140...175 kHz. Kluczowanie z przesunięciem częstotliwości jest używane do kodowania informacji o pakietach.

Dla USA i Europy N = 79. Wyjątkiem są Hiszpania i Francja, gdzie 23 jest używane dla Bluetooth. kanały częstotliwości... Kanały są zmieniane zgodnie z prawem pseudolosowym z częstotliwością 1600 Hz. Stała rotacja częstotliwości pozwala interfejsowi radiowemu Bluetooth na przesyłanie informacji w całym paśmie ISM i unikanie zakłóceń pochodzących od urządzeń pracujących w tym samym paśmie. Jeśli ten kanał jest zaszumiony, system przełączy się na inny i będzie to trwało do momentu znalezienia kanału wolnego od zakłóceń.

Szybki start Systemy Bluetooth zostały znacznie ułatwione dzięki prostocie konstrukcji. Zawiera moduł radiowy-nadajnik-odbiornik, kontroler komunikacji (inaczej procesor) i urządzenie sterujące, który faktycznie implementuje protokoły Bluetooth górne poziomy a także interfejs z urządzeniem końcowym. Co więcej, jeśli nadajnik-odbiornik i kontroler komunikacji są wyspecjalizowanymi mikroukładami (zintegrowanymi lub hybrydowymi), to urządzenia sterujące komunikacją są zaimplementowane na standardowych mikrokontrolerach, procesorach sygnałowych lub wspierają ich funkcje jednostki centralne, wydajne urządzenia końcowe (np. laptopy).

Poza tym w Urządzenia Bluetooth wykorzystuj układy scalone wykorzystywane w innych aplikacjach, ponieważ zakres mikrofal 2 GHz został dość dobrze opanowany, a rozwiązania techniczne zastosowane w Bluetooth same w sobie nie zawierają wiele nowości. W rzeczywistości schemat modulacji jest szeroko rozpowszechniony, technologia widma z przeskokiem częstotliwości jest dobrze rozwinięta, a moc jest niska.

Kluczem do sukcesu technologii Bluetooth jest nadajnik-odbiornik radiowy. Niski koszt i niska moc były głównymi względami zarówno przy implementacji specyfikacji interfejsu (krótkie łącze powietrzne), jak i przy projektowaniu transceivera. Technologia Bluetooth umożliwia stworzenie jednoukładowego urządzenia nadawczo-odbiorczego poprzez połączenie obwodów RF i cyfrowego przesyłania strumieniowego na jednym krzemowym układzie scalonym.

Transceiver Bluetooth

Urządzenie nadawczo-odbiorcze Bluetooth można podzielić na trzy bloki funkcjonalne (rys. 3). Jednostka radiowa zawiera konwertery w górę iw dół RF, pasmo podstawowe IF, filtr kanałowy, modulator / demodulator i syntezator częstotliwości.

Rysunek 3. Główne elementy urządzenia nadawczo-odbiorczego Bluetooth

Jednostka radiowa konwertuje sygnał FM 2,45 GHz na strumień bitów i odwrotnie. Antena jest bardzo ważnym elementem systemu. Antena powinna być dookólna i mieć zysk 0 dBi, a obecność użytkownika nie powinna zakłócać propagacji sygnału. Ze względu na małą długość fali 2,45 GHz rozmiar anteny jest ograniczony do kilku cm, obecnie najczęściej stosuje się anteny płaskie lub PIFA, jednak proponowano nawet mniejsze konstrukcje typu E na podłożu ceramicznym. Antena jest uzupełniona filtrem pasmowym, który oddziela częstotliwość 2,45 GHz od pasma ISM.

Aby wdrożyć proste i niezawodne odbiorniki oraz niespójne wykrywanie, Bluetooth wykorzystuje binarne kluczowanie z przesunięciem częstotliwości (FSK), z przemiataniem impulsu Gaussa wokół przeskoku częstotliwości z szybkością 1 Mb/s. Obszar takiego sygnału to BT = 0,5, gdzie B to szerokość pasma, T to czas trwania impulsu, ze wskaźnikiem modulacji od 0,28 do 0,35 i czasem trwania impulsu 1 μs. FM eliminuje potrzebę AGC, która jest trudna w obsłudze podczas przełączania częstotliwości i gdy dane docierają w nieregularnych odstępach czasu. Przedni koniec odbiornika RF składa się z konwertera w dół, filtru pasmowego kanału i detektora częstotliwości.

Filtr kanałowy przydziela pasmo 1 MHz i ma dość wysokie wymagania dotyczące selektywności. Ponieważ pasmo ISM musi być współdzielone z innymi systemami w paśmie (które mogą obejmować inne systemy Bluetooth), należy podjąć środki zapobiegające współdziałaniu między urządzeniami. Zazwyczaj odbiornik Bluetooth jest zbudowany z konwersją w dół (to znaczy, gdy kanał lustrzany wpada w pasmo IF). W celu oddzielenia pobliskich działających systemów Bluetooth współczynniki blokowania dla kanału lustrzanego powinny wynosić 20, 30 i 40 dB dla pierwszego, drugiego i trzeciego sąsiedniego kanału.

Ze względu na specyfikę działania systemu Bluetooth wymagania techniczne dotyczące intermodulacji są bardziej rygorystyczne niż w przypadku czułości odbiornika.

Do pokonania odległości 10 m z mocą wyjściową 0 dBm wystarcza czułość odbiornika P min = -70 dBm. Biorąc pod uwagę poziom szumów na wejściu odbiornika -114 dBm (w paśmie szumów 1 MHz) oraz wymaganie na wyjściu toru odbiorczego Km = 21 dB, aby zapewnić maksymalną stopę błędów transmisji informacji BER = 0,1% otrzymujemy, że poziom hałasu wynosi 13 dB ... Ta wartość jest obliczana ze wzoru na czułość

Pmin = -174 dBm + NF + 10lgB + a + Km, (1)

gdzie -174 dBm to moc szumów termicznych (kTB) w paśmie 1 Hz in normalna temperatura; NF - współczynnik szumów, dB; B - pasmo częstotliwości przed demodulatorem, 1 MHz; a - próg odpowiedzi, a = 3 dB; K m - współczynnik zależny od rodzaju modulacji.

W porównaniu do osiągniętego do tej pory poziomu hałasu, który jest znacznie poniżej 13 dB, wydaje się to dość złą wartością. Jednak ten niski wymóg pozwala na stosowanie tanich, stratnych komponentów i zapewnia ochronę przed sygnałami zakłócającymi (okablowanie podłoża i zasilania).

Obliczanie zakresu dynamicznego odbiornika Bluetooth

Górną granicę zakresu dynamiki można oszacować na podstawie poziomu iloczynu zniekształceń intermodulacyjnych trzeciego rzędu, jeśli założymy, że na wejściu znajdują się 2 sygnały o częstotliwościach dwóch sąsiednich kanałów.

Dwa sygnały o częstotliwościach f 0 + D f i f 0 + 2D f wytwarzają iloczyn zniekształceń intermodulacyjnych trzeciego rzędu P IM3 w rozważanym kanale radiowym o częstotliwości f 0. Poziom mocy iloczynu P IM3 zależy od sygnału wejściowego o mocy zakłócającej P in i nieliniowego parametru całego odbiornika - punktu przechwycenia trzeciego rzędu IP 3 - i jest równy:

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

Wolny od zniekształceń zakres dynamiczny jest określana z warunku, że zniekształcenia pochodzenia liniowego i nieliniowego mają taki sam wpływ na zniekształcenia w demodulatorze i jednakowo pogarszają wykrywanie własnego sygnału. Oznacza to, że aby BER nie przekroczył tej samej wartości 0,1%, która została ustawiona przy określaniu czułości, konieczne jest, aby moc odbieranego sygnału była o 3 dB wyższa niż poziom szumu (co odpowiada czułości odbiornika Pmin ). W związku z tym uzyskano IP3 = -16 dBm w równaniu (2) pod warunkiem, że iloczyn intermodulacji PIM3 jest równy czułości odbiornika, oba sygnały zakłócające mają moc 0 dBm, a zakłócenie występuje w odległości 1 m .

Łącząc wartość IP3 = -16 dBm z czułością odbiornika P min = -70 dBm, z (1) i (2) otrzymujemy, że zakres dynamiki bez zniekształceń (SFDR) odbiornika Bluetooth powinien być równy

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

Blok nadajnika jest również dość prosty. Binarna modulacja GFSK jest uzyskiwana przez bezpośrednią modulację lokalnego oscylatora FM. Dlatego dodatkowe konwersje w górę są niepotrzebne. Sygnał pasma podstawowego jest filtrowany metodą Gaussa, aby utrzymać pasmo 1 MHz wymagane dla systemów FM działających w paśmie ISM 2,45 GHz. Modulacja obwiedni Gaussa nie stawia wysokich wymagań co do liniowości stopnia wyjściowego nadajnika i można tutaj zastosować ekonomiczne wzmacniacze klasy C.

Moc nadajnika Bluetooth wynosi około 0dBm (można użyć maksymalnej mocy do 20dBm). Sterowanie mocą w pętli zamkniętej jest stosowane dla poziomów mocy powyżej 0 dBm.

Obliczanie zasięgu telefonu komórkowego w systemie Bluetooth

Wiadomo, że moc sygnału radiowego w punkcie odbioru P n jest równa:

gdzie P jest mocą emitowaną przez nadajnik; G m to maksymalny zysk anteny nadawczej; A eff.m - maksymalna efektywna powierzchnia anteny odbiorczej (proporcjonalna do geometrycznej powierzchni anteny); F(,) - funkcja charakterystyki promieniowania anteny nadawczej; F "(", ") - funkcja charakterystyki promieniowania anteny odbiorczej.

Z tego wzoru można uzyskać maksymalny zasięg komunikacji radiowej pod warunkiem, że anteny są skierowane do siebie,

gdzie P n.min to czułość odbiornika, w naszym przypadku P n.min = 10-10 W (-70 dBm).

Podstawiając do wzoru (4) moc nadajnika P = 10-3 W, G m = 0,5, A eff.m = 25 · 10 -6 (5 na 5 mm), otrzymujemy r m = 3 m.

Ta wartość w przybliżeniu odpowiada wymaganiom systemu Bluetooth i może służyć jako punkt wyjścia do obliczenia geometrii anteny, ponieważ reszta charakterystyk jest określona przez standard chipu nadawczo-odbiorczego.

Anteny do Bluetooth (przegląd producentów i rozwiązań)

Kilka firm, takich jak Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion i inne, produkuje już szeroką gamę anten, które są wykorzystywane w telefonii komórkowej i są specjalnie zaprojektowane do systemów Bluetooth przy użyciu materiałów ceramicznych o dobrych właściwościach RF.

Firma Hitachi Metals wypuściła anteny „Konfiguracja elektrod typu E” (Rysunek 4), dobrze przystosowane do zastosowań Bluetooth. Przestrzeń wymagana dla nowej anteny jest bardzo mała (15x3x2 mm), nie jest wrażliwa na położenie części peryferyjnych, może być wykonana jako wysokiej jakości antena kryształowa do Bluetooth, łatwa w użyciu.

Rysunek 4. Widok anteny Hitachi Metals dla Bluetooth

Antek Wireless Inc. opracował nowatorską antenę 2,4 GHz o pomysłowej konstrukcji, która przewyższa praktycznie każdą specyfikację projektu, jest zminiaturyzowany i może być zainstalowany w prawie każdym urządzeniu. Antena ma zastosowanie w różnych zastosowaniach, takich jak bezprzewodowa transmisja wideo, sprzęt audio, słuchawki, modemy, komputery mobilne, telefony przenośne i inne urządzenia przenośne wykorzystujące protokoły Bluetooth, IEEE 802.11 i HomeRF.

Firma Centurion International opracowała wewnętrzną antenę PIFA lub warianty anteny płaskiej do użytku w laptopach wykorzystujących technologię Bluetooth. Nowa antena umożliwia producentom komputerów opracowywanie urządzeń przenośnych, które z łatwością komunikują się z przenośnymi telefonami i systemami przesyłania wiadomości oraz łączą się z Internetem z dużą szybkością transmisji danych.

Murata Manufacturing Co. rozpoczęła produkcję i sprzedaż wbudowanych anten dielektrycznych do laptopów wykorzystujących technologię Bluetooth (rys. 5). Wymiary modułu nowej serii G2 to 15x5,8x7,0 mm.

Rysunek 5. Antena chipowa ANCG22G41 Murata

Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. Sp. z o.o. Wprowadza ultrakompaktową antenę do urządzeń Bluetooth. Antena wykonana jest na ceramicznej podstawie i ma wymiary 5x1,2x1,2 mm. Jest to najmniejsza antena w branży Bluetooth. Charakterystyka anteny jest następująca: częstotliwość pracy 2,4 GHz, zysk -2 dBi, współczynnik fali stojącej napięcia (VSWR) 2,0.

Rysunek 6. Antena ceramiczna w obudowie telefonu komórkowego (zdjęcie)

TDK Corp. produkuje dwie małe anteny półfalowe (7 x 7 mm) do zastosowania w produktach opartych na technologii Bluetooth. Antena CANPB0715 ma zysk -5 dBi, a antena CANPB0716 ma zysk 3 dBi. Większość innych małych anten to anteny ćwierć długości fali. Ich zastosowanie jest możliwe tylko w większych urządzeniach mobilnych, takich jak laptopy, gdzie uziemienie odbywa się do obudowy urządzenia. Dla telefonów komórkowych konieczne było opracowanie anten półfalowych.

Rysunek 7. Widok 3D anteny Bluetooth w metalizowanej obudowie telefonu komórkowego (rysunek w HFSS)

Konfiguracja anteny typu E

Wcześniej anteny miały dwie podstawowe konfiguracje: niezbalansowaną antenę zwrotną typu F i płaską antenę.

Odwrócona antena F ma jedną stronę otwartą, a drugą uziemioną w celu zmniejszenia rozmiaru, ale otwarta strona jest pod wpływem elektrody uziemiającej. Dlatego do realizacji właściwości anteny w danej przestrzeni wymagany jest duży obszar i należy zachować ostrożność przy projektowaniu rozmieszczenia elementów peryferyjnych.

Ponadto płaska antena jest bardzo czuła (wysoki zysk) i ma silne właściwości kierunkowe, co sprawia, że ​​nie nadaje się do zastosowań Bluetooth, w których wymagana jest wielokierunkowość.

Typ anteny, opracowany przez Hitachi Metals, ma unikalne zalety anteny zwrotnej typu F, ale zawiera elektrody uziemiające po obu stronach i dodaje środkową, stożkową elektrodę. Innymi słowy, nowa konfiguracja elektrod typu E wynaleziona przez Hitachi Metals może być jeszcze bardziej zminiaturyzowana i nie wpływa znacząco na pobliskie elektrody uziemiające. Im mniejsza antena, tym obudowa w mniejszym stopniu wpływa na jej parametry.

Podana powyżej analiza wszystkich konstrukcji anten dla systemu Bluetooth pozwala na dobranie głównych parametrów anteny zawartych w specyfikacji anteny, na podstawie których można dobrać sposób projektowania telefonu komórkowego z taką anteną.

Dane techniczne anteny Bluetooth:

• pracujące pasmo częstotliwości: 2400 ... 2500 MHz;
• średni zysk: -3 dBi;
• impedancja wejściowa: 50 Ohm;
• VSWR: 3 lub mniej.

W procesie projektowania systemu antenowego konieczne jest:

• obliczyć strukturę dopasowania między wejściem filtra a punktem zasilania anteny mikropaskowej;
• zoptymalizuj powierzchnię podłoża (czasami nazywaną przeciwwagą), czyli znajdź optymalne wypełnienie wewnętrznej powierzchni obudowy telefonu obszarami przewodzącymi. W dzisiejszych czasach często odbywa się to poprzez malowanie poszczególnych części obudowy farbą przewodzącą.

Celem konstrukcji anteny jest uzyskanie wymaganej charakterystyki promieniowania (DP) i dobrego dopasowania w zakresie częstotliwości pracy.

Analiza uogólnionej struktury anteny planarnej

Z przeglądu istniejących anten do systemu Bluetooth wynika, że ​​mają one metalowe kształty o złożonej konfiguracji, osadzone na jednej lub kilku stronach trójwymiarowego podłoża, najczęściej ceramicznego o wysokiej przepuszczalności (rys. 8). Dlatego możemy powiedzieć, że każda z tych form jest rezonatorem. Wiadomo, że wielkość anteny ma związek z częstotliwością pracy. Zakładając, że antena rezonuje wzdłuż dłuższego boku, długość anteny można oszacować za pomocą następującego prostego wzoru:

gdzie fr jest daną częstotliwością rezonansową; jest względną stałą dielektryczną materiału podłoża. Wzór ten nie uwzględnia wpływu szerokości podłoża anteny i grubości podłoża na częstotliwość rezonansową, ale efekt ten jest zwykle pomijalny. Wzór (1) odzwierciedla fizyczną naturę drukowanej anteny (rys. 9) jako rezonatora półfalowego, który powstaje w przestrzeni między górnym przewodnikiem a płaszczyzną uziemienia anteny. Na przykład przy częstotliwości f r = 2,5 GHz i = 34 (ceramika) z (1) mamy A ~ = 10,3 mm.

Rysunek 8. Geometria anteny Bluetooth YCE-5207 w programie AutoCAD

Rysunek 9. Antena Bluetooth (widok z góry) zaprojektowana w programie AutoCAD

Długość anteny można skrócić o co najmniej połowę (przy pracy na tej samej częstotliwości), jeśli jeden koniec jest uziemiony. W tym przypadku otrzymujesz tak zwaną odwróconą antenę F (PIFA), która jest rezonatorem ćwierćfalowym, którego jeden koniec jest uziemiony, a drugi otwarty (bezczynny). PIFA (rys. 3) jest napędzany linią koncentryczną w punkcie, w którym impedancja wejściowa anteny jest bliska 50 omów. Zatem długość PIFA można z grubsza oszacować jako

Dla anteny dostrojonej do tej samej częstotliwości f r = 2,5 GHz i = 34 otrzymujemy ~ = 5,1 mm, co zajmuje już znacznie mniej miejsca niż w poprzednim przypadku. Rzeczywisty rozmiar anteny może być jeszcze mniejszy ze względu na efekt bliskiego pola skoncentrowany na otwartym końcu rezonatora.

Wielkość anteny E, ponieważ zwija się z obu stron, można z grubsza oszacować jako

Ponieważ anteny systemu Bluetooth znajdują się na półzamkniętym ekranie o złożonym kształcie, charakterystyka systemu antenowego może znacznie różnić się od charakterystyk obliczonych za pomocą wzorów teoretycznych. W takim przypadku parametry anteny (wymiary przewodów i odległość między nimi na wysokości) można zoptymalizować za pomocą jednego z pakiety oprogramowania modelowanie struktur elektromagnetycznych (rys. 10).

Rysunek 10. Bliskie pole w telefonie komórkowym (w polu programu HFSS)

Należy pamiętać, że zaletę małych rozmiarów anteny PIFA uzyskuje się poprzez zmniejszenie jej emisyjności (emisje tylko jedna krawędź), poza tym anteny PIFA są zwykle wąskopasmowe.

Metody numeryczne projektowania anten planarnych

Anteny są głównymi elementami wszystkich systemów komunikacji radiowej i wykorzystują wolną przestrzeń jako medium transportowe. Służą do łączenia nadajnika lub odbiornika w wolnej przestrzeni.

Anteny mają kilka ważne parametry z których wzmocnienie, charakterystyka promieniowania, szerokość pasma i polaryzacja są najbardziej interesujące.

Nowoczesna konstrukcja anten do telefonów komórkowych (rys. 11) opiera się na modelowaniu zjawisk elektromagnetycznych na komputerze, wykorzystując jako dane wyjściowe wyniki uzyskane na podstawie obliczeń szkicowych i rozważań heurystycznych.

Rysunek 11. Widok anteny Bluetooth w obudowie telefonu komórkowego

Tworząc model należy pamiętać, że geometria musi odpowiadać rzeczywistemu położeniu anteny podczas pracy, czyli takiej, aby korpus znajdował się w pozycji pionowej (lub pod niewielkim kątem). W tym przypadku płaska antena znajduje się w pozycji „na krawędzi”.

Cechy miniaturowych anten ceramicznych

Antena ceramiczna wykonana jest na podłożu o wysokiej stałej dielektrycznej. Materiał o wysokiej przepuszczalności ma również duże straty.

Dlatego obliczenia takich anten należy przeprowadzić za pomocą programów, które zasadniczo uwzględniają straty w ceramice. Takim programem jest program HFSS.

Aby z powodzeniem zainstalować antenę płaską w konstrukcji tubusu telefonu komórkowego, konieczne jest przeprowadzenie badań obliczeniowych, które wykażą zależność charakterystyki systemu antenowego od niektórych elementów konstrukcji telefonu.

Zwróć uwagę na następujące cechy anten mikropaskowych:

• anteny mikropaskowe są węższe niż anteny spiralne;
• Anteny mikropaskowe łatwo osiągają polaryzację kołową, w porównaniu z przeważnie pionową polaryzacją anten śrubowych;
• Anteny mikropaskowe mają bardziej nierówną charakterystykę promieniowania w płaszczyźnie azymutalnej niż anteny spiralne i dipolowe ze względu na ich asymetrię względem osi pionowej.

Jak już wspomniano, antena ceramiczna jest strukturą 3D, na której powierzchni z każdej strony nałożone są metalowe przewodniki o określonym kształcie. Ten projekt może mieć jeden lub więcej punktów wzbudzenia. W tych punktach do anteny przykładane jest napięcie wzbudzające, które indukuje prądy promieniowania w konstrukcji. Punkty wzbudzenia mogą być połączone balunem.

Oprócz punktów wzbudzenia, na wydrukowanej antenie mogą znajdować się punkty uziemienia (połączenia z płaszczyzną uziemienia). Prądy indukowane w tej złożonej konstrukcji tworzą charakterystykę promieniowania i inne cechy anteny niezbędne do nawiązania komunikacji z komputer osobisty lub inne urządzenie.

Ponieważ w wyniku obliczeń elektrodynamicznych można określić rozkład prądów w układzie, ich analiza może stanowić podstawę do modernizacji anteny.

W procesie projektowania anteny konieczne jest przede wszystkim uzyskanie impedancji wejściowej zbliżonej do 50 Ohm, ponieważ w tym przypadku możliwe będzie dopasowanie anteny do wzmacniacza wejściowego o niskim poziomie szumów i wzmacniacza mocy ścieżka transmisyjna z mniejszymi stratami.

Na przykład, jeśli wartość tłumienia odbiciowego anteny (parametr 20 log | S 11 |) jest rzędu -20 dB, oznacza to, że w zakresie częstotliwości pracy antena będzie pracować z dobrą koordynacją z otaczającą przestrzenią . Wartość -20 dB wskazuje, że moc generatora będzie pochłaniana prawie bez odbicia przez antenę, która z kolei jest obciążona wolną przestrzenią. Antena jest transformatorem między wyjściem wzmacniacza mocy (lub wejściem wzmacniacza niskoszumowego) a wolną przestrzenią, impedancja falowa które dla fali płaskiej w strefie dalekiej można uznać za równe 377 omów.

Kolejnym wymaganiem są charakterystyki promieniowania, które określają zdolność anteny do promieniowania w różnych kierunkach. Projektując i obliczając anteny, zwykle interesują ich przekroje charakterystyki promieniowania w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach: azymutu i elewacji. Azymutalny BP określa zdolność anteny do promieniowania w płaszczyźnie poziomej, a wzniesienie BP w płaszczyźnie pionowej. Oba są ważne dla telefonu komórkowego, ale pierwszy określa wszechkierunkowość i jest bardziej charakterystyczny dla oceny promieniowania w warunkach pracy. Parametry kierunkowości drukowanej anteny lub jej modyfikacji nie powinny być gorsze niż w przypadku istniejących anten spiralnych.

Obliczanie charakterystyki promieniowania anteny Bluetooth

W tabeli przedstawiono wyniki modelowania anteny w obudowie z wykorzystaniem dokładnych wymiarów geometrycznych konkretnego projektu. Z tabeli widać, że parametry obliczonej struktury znacznie różnią się od zmierzonych parametrów dopasowania (rys. 16). Dlatego przeanalizujemy przyczyny tych różnic.

Tabela. Moc wypromieniowana anteny, kierunkowość, wzmocnienie i wielkość przy braku strat podłoża (stała dielektryczna = 0). Moc znamionowa generatora na wejściu (port) wynosi 1 W

F Częstotliwość	Dąsać się Moc wypromieniowana, obliczenia, W (obliczona suma mocy przez płaszczyznę promieniowania)	D Kierunkowość, dB (obliczona na HFSS)	Wzmocnienie G, dB = P rad / P nom	S 11 Rozliczenie 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

Największa zasadnicza różnica między projektem obliczonym a rzeczywistym tkwi w parametrach podłoża. Zatem dane obliczeniowe podane w tabeli odpowiadają wyidealizowanemu przypadkowi braku strat w podłożu ceramicznym. W tym wyidealizowanym przypadku znajdziemy związek pomiędzy parametrami stołu bez strat.

Prad jest obliczany przez program HFSS wzdłuż całej granicy promieniowania. Cała moc przepuszczona przez ściany oznaczające granicę pola dalekiego jest sumowana i daje to P rad.

Jeśli podłoże i przewodniki są bezstratne, wówczas cała moc, która dotarła do anteny, jest wypromieniowana, czyli P rad. = P ant, a ta moc docierająca do anteny, a następnie wypromieniowana jest z kolei określana przez niedopasowanie:

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

gdzie P nom jest mocą znamionową generatora. W oparciu o HFSS jest ustawiony na 1 W.

Na częstotliwości 2 GHz, zgodnie z tabelą, z (7) mamy

P ant = 1 (1 - | 0,96 | ²) = 0,07 W,

co odpowiada obliczonej wartości P rad w tabeli.

Zysk anteny jest z definicji równy

Podstawiając (7) do (8), otrzymujemy, w skali logarytmicznej,

G = 10lg (1 - | S 11 | ²) + D. (dziewięć)

Dla częstotliwości 2 GHz mamy zysk anteny

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

Pokazaliśmy więc zależność parametrów anteny dla przypadku bez strat w podłożu.

Przepiszmy (7) w następujący sposób:

Analizując obliczenia HFSS, widzimy, że przy 2 GHz i na innych częstotliwościach zysk anteny jest słaby, a co najważniejsze występuje niedopasowanie anteny (rys. 12). Eksperyment pokazuje jednak, że zysk anteny jest znacznie wyższy, nawet bez włączania układów dopasowujących. O co chodzi? Okazuje się, o dziwo, że obecność strat w podłożu ceramicznym przyczynia się do dopasowania anteny i poprawy charakterystyki małej anteny w porównaniu z konwencjonalną anteną, której wymiary są współmierne do długości fali. Rzeczywiście zwiększając straty do wartości tan = 0,1 (oczywiście nierealistycznie duże), stosując metodę obliczeń HFSS, otrzymujemy zależności dopasowania pokazane na rys. 13.

Rysunek 12. Pasmo przenoszenia anteny Bluetooth o parametrach ceramicznych = 34, tg = 0 (bezstratne). Z rysunku widać, że umowa jest słaba

Rysunek 13. Pasmo przenoszenia anteny Bluetooth o parametrach ceramicznych = 34, tg = 0,1 (przy częstotliwości 2 GHz)

Aby zbadać sprawność anteny w funkcji strat, obliczmy zależności charakterystyk anteny w obudowie od strat w ceramice. Ceramika ma straty, a obliczenia pokazują, że jeśli założymy, że nie ma strat, to antena ma słabe dopasowanie, jeśli jest strata, dopasowanie się poprawia.

Promieniowanie mocy P jest obliczane przez program numerycznie jako suma mocy padających na wszystkie granice promieniowania. Ta moc jest mniejsza niż moc znamionowa generatora i stanowi tylko jej część.

Ponieważ w tym przypadku mamy straty, definiujemy je jako różnicę mocy między przypadkiem bez strat, wzór (7), a wartością P rad. Równość P rad = P ant już nie obowiązuje, moce te różnią się stratami mocy w podłożu:

P rad = P ant - P absor. (jedenaście)

Podstawiając (11) do wzoru (8) stwierdzamy, że zysk anteny uwzględniający straty w ceramice znajduje się wzorem

który można przedstawić jako

| S 11 | ² = 1 - Ktg - G / D, (13)

gdzie K * tg = P absorpcja / P nom, K w ogólnym przypadku nie jest równe 1.

Z (13) widać, że |S11|² maleje wraz ze wzrostem strat i można zrozumieć, dlaczego dopasowanie do anteny osiąga się łatwiej w przypadku stratnej ceramiki.

Rysunek 14. Kąt promieniowania systemu antenowego Bluetooth

Rysunek 15. Wzór azymutalny telefonu komórkowego z systemem antenowym Bluetooth

Obliczenia pokazują, że wpływ ciała użytkownika na charakterystykę promieniowania małej anteny jest znacznie mniejszy niż na charakterystykę anteny głównej anteny telefonu komórkowego. To samo można powiedzieć o odwrotnym wpływie mocy promieniowania anteny Bluetooth na ludzkie ciało.

Badanie eksperymentalne anteny planarnej

Eksperymentalne strojenie anteny można przeprowadzić zgodnie z kryterium dopasowania i zgodnie z kryterium DP. Na ryc. 16 przedstawia zmierzoną odpowiedź częstotliwościową S11 wykreśloną na wykresie Smitha.

Rysunek 16. Impedancja wejściowa anteny w obudowie zmierzona na analizatorze sieci

Te eksperymentalne pomiary zostały wykonane za pomocą miernika obwodu HP8632.

Eksperymentalny pomiar przesunięcia częstotliwości rezonansowej układu antenowego, gdy antena była ekranowana, wykazał, że przesunięcie częstotliwości rezonansowej po włożeniu anteny do obudowy wynosi 50 MHz.

Wniosek

W artykule omówiono cechy modelowania anteny mikropaskowej w systemie Bluetooth, przeznaczonej do bezprzewodowej komunikacji lokalnej. Uważany za system Bluetooth w telefonie komórkowym. główna cecha działanie systemu antenowego - działanie anteny w wysoce metalizowanej obudowie, czyli z dużą przeciwwagą. Dlatego do obliczenia prądów indukowanych przez antenę na powierzchni obudowy konieczne jest wykorzystanie programu do analizy w reprezentacji 3D. Takim programem jest HFSS. W tym przypadku modelowanie anteny wraz z pozostałymi elementami obudowy stanowi zasadniczą część całościowego projektu anteny i tuby.

Specyfikę procesu modelowania pokazano na przykładach anteny krosowej YCE-5207 z Yocowa, która jest reprezentowana przez połączenie prostokątnego obszaru metalowego i linii mikropaskowej na ceramice o dużej stałej dielektrycznej o dość skomplikowanych kształtach. Wyniki konkretnej analizy przedstawiane są jako: charakterystyka częstotliwościowa współczynnik odbicia, prądy na obudowie, pole bliskie i DN. Pokazano wpływ elementów korpusu tuby na charakterystykę promieniowania w strefie dalekiej. Rozważane są zarówno opcje montażu anteny zewnętrznej, jak i wewnętrznej.

Literatura

1. Jennifer Bray, Charles Sturman. Bluetooth: podłącz bez kabli. Prentice-Hall, 2001 495 str.
2. Balanis CA Teoria anten: analiza i projektowanie, Wiley & Sons. Wydanie II. 1997.
3. Fujimoto K. i James J.R. (redaktorzy). Podręcznik mobilnych systemów antenowych. Wydanie II. Dom Artech. 2001.710 s.
4. Kessenikh V., Ivanov E., Kondrashov Z. Bluetooth: zasady budowy i działania // Chip News. 2001. Nr 7. P. 54-56.
5. Kalinichev V., Kurushin A. Anteny mikropaskowe do telefonów komórkowych // Chip News. 2001. Nr 7. S. 6-12.

Urządzenia bezprzewodowe są bardzo wygodne - nie musisz już martwić się o przewody, ale powinieneś wyraźnie zrozumieć, że komunikacja „over the air” ma pewne ograniczenia dotyczące promienia. Co więcej, im tańszy jest np. adapter Bluetooth, który kupisz do swojego komputera, tym mniej możesz od niego odejść, aby uzyskać stabilne połączenie. Oczywiście niektóre drogie urządzenia nie zawsze dają dobre rezultaty. Dzisiaj porozmawiamy o tym, jak wzmocnić sygnał Bluetooth i jak to jest realistyczne.

informacje ogólne

Artykuł opisuje niektóre metody, które polegają na demontażu adaptera, wymianie jego części lub modyfikacji za pomocą lutowania, co może nie być odpowiednie dla wszystkich. Jeśli nie znasz się na elektronice, nie jesteś zbyt zręczny w posługiwaniu się lutownicą lub Twoje urządzenie jest objęte gwarancją, unikaj tych metod.

Uzupełnienie adaptera

Najprostszym, ale nie najskuteczniejszym sposobem na zwiększenie prędkości Bluetooth jest dodanie do adaptera reflektora, który skieruje sygnał w określonym kierunku, zamiast wzmacniać jego propagację o 360 stopni.

Możesz spróbować zrobić taki odbłyśnik z blaszanej puszki po piwie, odcinając jej górną część i wykonując jeszcze kilka nacięć: od góry do dołu, a potem lekko na boki, jakby lekko oddzielając spód puszki.

Adapter Bluetooth podłącza się w środku do czegokolwiek chcesz i łączy się z komputerem za pomocą adaptera USB.

Coś podobnego można zbudować z tektury z przyklejoną folią.

Inną opcją, która może zadziałać, jest odcięcie tylko górnej części puszki, a następnie wycięcie szczeliny na korpus bliżej dna puszki i włożenie adaptera w bok z anteną. Następnie ponownie naprawiamy go wygodną metodą i podłączamy przez przedłużacz.

Modyfikacje

A teraz porozmawiamy o metodach, które zakładają fizyczną modyfikację samego adaptera. W tańszych raczej nie znajdziesz anteny zewnętrznej, co w rzeczywistości jest ich problemem.

Otwieramy skrzynkę, jeśli jest taka możliwość, i szukamy anteny SMD, która jest wlutowana w płytkę - trzeba ją odparować, tylko bardzo ostrożnie, bez przegrzewania części.

Następnie lutujemy złącze SMA w miejsce anteny, przed usunięciem wszystkiego niepotrzebnego: nie dotykamy części, w którą wkręcona jest antena, ale na drugim końcu odcinamy krawędź, oddzielamy ekran i żyły , wyczyść je, majsterkuj i lutuj.

Jeśli masz wątpliwości, gdzie co lutować, najlepiej zwrócić się na fora radioamatorów.

Teraz podłączamy antenę do tego, co otrzymaliśmy, którą można bezpiecznie przekręcić ze starego Wi-Fi.

Jeśli masz już droższe urządzenie z anteną zewnętrzną, ale nadal jesteś niezadowolony z sygnału, to antena Hyper gain może uratować sytuację - kup ją, odetnij przejściówkę do podłączenia i oddziel ekran od rdzenia.