Förbättra Bluetooth-signalen: Metoder för skicklig. Planarantenn Bluetooth-system i mobiltelefoner Anslutande extern antenn till Bluetooth-modul

Nu släpper ofta smartphones, telefoner eller kommunikatörer med inbyggd wi-Fi-adapter. Och Wi-Fi-radien är cirka hundra meter, men de telefoner som är utrustade med Bluetooth-sändning och tar emot filer endast för ett avstånd på högst tio meter. Om du har en USB-blutooth för en dator, liksom en telefon med Bluetooth, men du vill få en ökning av mottagningsområdet. Allt detta är ganska möjligt, men du måste förbättra USB-Bluetooth.

Tja, börja. Vi demonterar Bluetooth-adaptern för datorn, då måste du felsöka Bluetooth-huset och kontrollera noggrant adapterns avgift.

I alla modeller av adaptrar i slutet av styrelsen finns kopparkontakt, som liknar en spiral, i bilden är nummer 1. Denna helix är en antennbluetooth, en extra hemlagad antenn kommer att lödas till den.

Vi behöver en singelkärna med en diameter av 0,4 till 0,8 mm. Tråden är täckt med en lackisolering, och det är inte nödvändigt att bli av med det helt. Vi kommer att snurra tråden som visas på bilden, då kommer vi att utföra bearbetningen av spetsen av koppartråden med kolonn, sedan tenn. Samma procedur ska göras med en kopparspiral i Bluetooth, överhett inte adapterns avgift, gör allt arbete mycket noggrant.

Då måste du göra ett hål i själva verket för Bluetooth-adaptern, vid utgångsstället hemlagad antenn. Stäng nu noggrant styrelsen i bostaden. Här är den uppgraderade Bluetooth, vilket ger en ökning i intervallet av mottagningstider i 4.

För att ytterligare öka mottagningsområdet kan du ta en multi-core ganska lång tråd, som kommer att täckas med isolering, det är nödvändigt att rengöra spetsen och klättra upp det till antennen, det andra spetsen kan fästas på en liten nejlikor drivs i väggen.

Flera företag, som Hitachi-metaller, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion och andra, har redan producerat ett brett spektrum av antenner som används i mobiltelefoni och är speciellt utformade för Bluetooth-system med hjälp av keramiska material med bra högfrekventa egenskaper .

Hitachi Metals släppta antenner av E-Type-elektrodkonfigurationen (bild 28), väl lämpade för Bluetooth-applikationer. Den plats som krävs för den nya antennen är mycket liten (15x3x2 mm), det är inte känsligt för placeringen av de perifera delarna, kan göras i form av en högeffektiv kristallantenn för Bluetooth, lätt att använda.

Fikon. 28.

Antek Wireless Inc. Utvecklat en ny 2,4-GHz-antenn av en originaldesign, vilket ger effektivitet som faktiskt överstiger några tekniska krav i projektet, miniatyr och kan installeras nästan vilken som helst enhet. Antenn är tillämplig på olika tillämpningar av typen av trådlös videosignal, ljudutrustning, hörlurar, modem, mobila datorer, bärbara telefoner och andra bärbara fickanordningar som använder Bluetooth-protokoll, IEEE 802.11 och Homerf.

Centurion International har utvecklat en intern PIFA-antenn eller en slags platt antenn för användning i bärbara datorer med hjälp av Bluetooth-teknik. Ny antenn ger datorföretag till tillverkare att utvecklas bärbara enhetersom lätt är förknippade med bärbara telefoner och meddelandesystem är anslutna till Internet med höga datahastigheter.

Murata Manufacturing Co. Börja produktion och försäljning av inbyggda dielektriska antenner för bärbara datorer med hjälp av Bluetooth-teknik (bild 29). Måttens dimensioner ny serie G2-15x5.8x7,0 mm.

Fikon. 29.

Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. Ltd Frigör en överkompaktantenn för Bluetooth-enheter (30). Antennen utförs på keramisk basis och har dimensioner på 5x1.2x1.2 mm. Detta är den minsta antennen i Bluetooth-industrin. Antennens egenskaper är som följer: driftsfrekvensen är 2,4 GHz, förstärkningskoefficienten -2 DBI, koefficienten för stående våg för spänning (KSVN) 2,0.

TDK Corp. Frigör två halvvågiga medelstora antenner (7 med 7 mm) för användning i produkter baserade på Bluetooth-teknik. Antennen CanPB0715 har en amplifieringskoefficient -5 dBi och antennen CANPB0716 - 3 DBI. De flesta andra små antenner är kvartvåg. Deras användning är endast möjlig i större mobil enheter, såsom bärbara datorer, där jordning utförs på enhetens kropp.

Tidigare hade antennerna två huvudkonfigurationer: omvänd asymmetrisk F-typantenn och en platt antenn. Den inverterade F-antennen har en sida öppen, och den andra är jordad, vilken är klar för att minska storleken, men den öppna sidan är underordnad motverkan av jordningselektroden.

Fikon. trettio

Därför krävs ett stort område för att implementera antennegenskaper i ett givet utrymme och försiktighet är nödvändigt vid utformningen av placeringen av de perifera komponenterna. Dessutom är en platt antenn mycket känslig (hög förstärkning) och har starka riktade egenskaper, vilket gör det olämpligt för Bluetooth-applikationer, där omnidaritet behövs.

Den typ av antenn som utvecklats av Hitachi-metaller har unika fördelar med F-typens omvänd antenn, men innefattar jordningselektroder på båda sidor och läggs till central, konformad elektrod. Med andra ord kan den nya E-Type-elektrodkonfigurationen, som uppfanns i Hitachi-metaller, vara ännu mer miniatyriserad och påverkar inte signifikant de närliggande jordningselektroderna. Ju mindre antennen, desto mindre påverkar dess parametrar.

En analys av alla antenndesigner för Bluetooth-systemet ovan, låter dig välja de huvudsakliga antennparametrarna som ingår i antennspecifikationen, på grundval av vilken du kan välja metod för att designa en mobiltelefon med en sådan antenn.

Tekniska krav för Bluetooth-systemantennen:

Frekvensoperationsremsa: 2400 ... 2500 MHz;

Genomsnittlig amplifiering: -3 dBi;

Ingångsmotstånd: 50 ohm;

Vswr: 3 eller mindre.

I processen med att designa ett antennsystem är det nödvändigt:

Optimera jordytan (ibland kallad motvikt), det vill säga att hitta den optimala fyllningen av den inre ytan av telefonens kropp med ledande områden. För närvarande implementeras detta ofta av de smidiga individuella delarna av den ledande färgen.

Syftet med antennens konstruktion är att erhålla det erforderliga orienteringsdiagrammet (DN) och god matchning i frekvensremsan.

Planar Bluetooth-antennsystem i mobiltelefoner

V. Kalinichev, A. Kurushin, V. Sublayer

Planar Bluetooth-antennsystem i mobiltelefoner

Användningen av plana mikrostripantenner i det trådlösa LAN-systemet Bluetooth anses vara. Konstruerade strukturer och metoder för att analysera en plan keramisk antenn, med hänsyn till förluster i keramik. För numerisk antennanalys har HFSS-programmet använts i fallet. Beräkningar är gjorda för en viss handenhet: den aktuella fördelningen över metallens yta, toppad med en dielektrisk, telefonkropp, orienteringsdiagram för olika mobiltelefonorientering. En översikt över seriella Bluetooth-antenner ges, liksom rekommendationer för installation av dessa antenner i huset.

Introduktion

En ökning av informationsutbytet bidrog till utvecklingen av trådlösa kommunikationssystem på "hem" -nivån. Personliga datorer och bärbara datorer, mobiltelefoner, CD- och MP3-spelare, digitala foto- och videokameror och en massa andra digitala enheter (fig 1), ofta ansluten till varandra och till stationära datorer, skapade problemet med deras anslutning.

Figur 1. Lokalt anslutningssystem med trådlös Bluetooth-teknik

Kabeln blev obekvämt - det är nödvändigt att ansluta ofta, storleken på kabelns storlek med kontakterna är knappt inte mer än den anslutna enheten själv och så vidare. Mot den här bakgrunden har relevansen av WLAN Wireless Local Technology (trådlöst lokalnätverk) kraftigt ökat, vilket ger en kontaktlös anslutning av enheten till drivskivan.

Som ett resultat föreslogs systemet och började snabbt utvecklas. trådlös kommunikation Bluetooth (bild 1). I spektrumet av radiofrekvenser är det tilldelat 79 kanaler i 37 MHz-bandet (ca 2 MHz vardera) i intervallet 2,4465-2 4835 GHz.

Väsen bluetooth-standard I likhet elektroniska apparater Utsläpp som drivs med en frekvens av 2,45 GHz med en radie på upp till 10 m och informationshastigheten till 1 Mbps. Möjligheterna att tillämpa dessa enheter är verkligen obegränsade. Trådlösa hörlurar, möss, tangentbord, anslutning mobiltelefoner Och bärbara datorer, utbytet av information mellan fickdatorer är inte att lista.

Bluetooth-systemet är verksamt i en löst 2,45 GHz-band (ISM-industri, vetenskap, medicin, vetenskap, medicin), vilket gör att du kan använda Bluetooth-enheter över hela världen. Tekniken använder en hoppliknande frekvensomstrukturering (1600 hopp / s) med spektrumutvidgning. Under drift hoppar sändaren från en driftsfrekvens till en annan med den pseudo-slumpmässiga algoritmen. För att separera mottagnings- och sändningskanalerna används en temporär separation (fig 2). Synkron och asynkron dataöverföring stöds och integration med TCP / IP är anordnad. Tillfälliga intervall är synkroniserade för att överföra paket, varav de sänds vid dess radiosignalfrekvens.

Figur 2. Alternativ datautbyte mellan anordningen A och anordningen B

Strömförbrukningen hos Bluetooth-enheter måste vara inom 0,1 Watt. Varje enhet har en unik 48-bit nätverksadressKompatibelt standardformat lokala nätverk IEEE 802.

Den grundläggande principen för att bygga Bluetooth-system är användningen av spektrumutvidgningsmetoden med en hoppliknande frekvensförändring (FHSS - frekvens hop spridningsspektrum). Alla valda för Bluetooth-radiofrekvensområde på 2,402 ... 2,480 GHz är uppdelad i N-frekvenskanaler. Bandet av varje kanal är 1 MHz, separationen av kanalerna är 140 ... 175 kHz. För kodning av paketinformation använder frekvensmanipulering.

För USA och Europa n \u003d 79. Undantagen är Spanien och Frankrike, där 23 frekvenskanaler används för Bluetooth. Kanalförändring görs enligt pseudo-slumpmässig lag med en frekvens på 1600 Hz. Permanent frekvensväxling tillåter Bluetooth-radiogränssnittet att sända information över ISM-sortimentet och undvika inverkan av störningar från anordningar som arbetar i samma intervall. Om den här kanalen är otroligt, växlar systemet till ett annat, och det kommer det att inträffa tills kanalen är fri från störningar.

Snabbstart Bluetooth-system har mycket underlättat enkelheten i strukturen. Den innehåller en transceiver-radiomodul, en kommunikationsstyrenhet (den är samma processor) och hanteringsanordning, Faktiskt genomföra Bluetooth-protokoll Övre nivåersåväl som ett gränssnitt med en terminalanordning. Om sändtagaren och kommunikationsstyrenheten är specialiserade chips (integrerade eller hybrid), implementeras kommupå standardmikrokontroller, signalprocessorer eller dess funktioner stöder centrala processorer av kraftfulla terminalanordningar (till exempel bärbara datorer).

Dessutom, i bluetooth-enheter Använd integrerade kretsar som används i andra applikationer, eftersom mikrovågsintervallet på 2 GHz är behärskat ganska bra och läggs i Bluetooth Technical Lösningar själva innehåller inte speciell nyhet. Faktum är att moduleringsschemat är utbredd, spektrumets expansionsteknik med metoden för frekvenshopp är väl utarbetad, kraften är liten.

Nyckeln till framgången med Bluetooth-tekniken är en radiomottagare. Lågt pris och låg kraft var primära överväganden både vid genomförandet av gränssnittets tekniska krav (kort luftradiolin) och vid utformning av receptionisten. Bluetooth-teknik gör att du kan skapa en single-chip-receptionist, kombinera RF-schemat och det digitala strömningssystemet på en kiselkristall.

Bluetooth-transceiver

Bluetooth-mottagaren kan delas in i tre funktionella block (fig 3). Radioblocket innehåller omvandlare upp och ner med RF, en inverterare med en remsa av modulerande frekvenser, ett kanalfilter, modulator / demodulator och frekvenssyntetiserare.

Figur 3. Grundläggande Bluetooth-mottagningselement

Radrullen utför transformationen av FM-signalen med en frekvens av 2,45 GHz i en bitström och vice versa. Antenn är ett mycket viktigt element i systemet. Antennen måste vara omnidirektionell och förstärkning 0 DBI, användarens närvaro bör inte påverka signalfördelningen. På grund av den lilla våglängden vid frekvensen av 2,45 GHz är antennstorleken begränsad till flera se. För närvarande används platta eller PIFA-antenner oftast, men ännu mer miniatyr E-typdesign på ett keramiskt substrat föreslås. Antennen kompletteras med ett remsafilter som elammar frekvensen på 2,45 GHz från ISM-bandet.

För att implementera enkla och stabila mottagare och icke-sammanhängande detektering använder Bluetooth binär frekvensmanipulering (FM, FSK), med ett rullande hopp med en gaussisk puls, med en hastighet på 1 Mbps. Området av en sådan signal Bt \u003d 0,5, där B-remsa, T är pulsvaraktigheten, under moduleringsindexet från 0,28 till 0,35 och pulsvaraktigheten av 1 μs. VM eliminerar behovet av ARU, vilket är svårt att fungera när du byter frekvenser, och när data kommer i ojämna tidsintervaller. Inmatningsdelen av RF-mottagaren består av en omvandlare med en minskning av frekvensen, kanalbandfilter och frekvensdetektor.

Kanalfiltret lyfter fram ett band av 1 MHz, och ganska höga selektivitetskrav presenteras för det. Eftersom ISM-bandet måste delas in i andra system i den här körfältet (bland annat andra Bluetooth-system kan åtgärder vidtas för att förhindra instrumentinteraktion. Vanligtvis är Bluetooth-mottagaren byggd med frekvensomvandlingen ner (det vill säga när spegelkanalen faller in i PC-bandet). För korsningen nära Bluetooth-operativsystemen måste blockeringskoefficienterna på spegelkanalen vara 20, 30 och 40 dB för de första, andra och tredje intilliggande kanalerna.

På grund av Funktionerna i Bluetooth-systemet är de tekniska kraven för intermodulationen tuffa än till mottagarens känslighet.

För att överlappa avståndet på 10 m med en utgångseffekt på 0 dBm är mottagarens känslighet P min \u003d -70 dBm tillräcklig. Med hänsyn till ljudnivån vid inmatningen av mottagaren -114 dBm (i bullerbandet 1 MHz) och kraven vid utgången från mottagningsbanan Km \u003d 21 dB, för att säkerställa maximal informationsöverföringsfelhastighet för BER \u003d 0,1 %, vi erhåller att ljudkoefficienten är 13 dB. Detta värde beräknas utifrån formeln för känslighet.

P min \u003d -174 dBm + NF + 10LGB + A + K m, (1)

där -174 dBm är kraften i termiska (KTB) brus i 1 Hz-remsan i normal temperatur; NF-bullerkoefficient, dB; B-frekvensband före demodulatorn, 1 MHz; A-trigger tröskel, A \u003d 3 dB; K m - koefficient beroende på typ av modulering.

Jämfört med den bullerkoefficient som uppnåtts för idag, vilket är signifikant lägre än 13 dB, verkar detta värde vara en ganska dålig mening. Men detta låga krav gör att du kan använda billiga komponenter med förluster och skyddar mot störande signaler (tippning i substratet och strömkablarna).

Beräkning av det dynamiska området för Bluetooth-mottagare

Den övre gränsen för det dynamiska området kan uppskattas med nivån av produkten av intermodulationsförvrängningen av den 3: e ordningen, om vi antar att 2 signaler med frekvenser av två intilliggande kanaler verkar på ingången.

Två signaler med frekvenser f 0 + d f och f 0 + 2d f producera en produkt av intermodulationsförvrängningen av den tredje ordningen P im3 i den ansedda radiokanalen med frekvensen f 0. Produktnivån för produkten P im3 beror på ingångssignalen hos den interfererande effekten P i och den olinjära parametern för hela mottagaren - korsningspunkterna i den tredje ordningen IP 3 - och lika:

P im3 \u003d 3p in - 2 eP 3 [dB]. (2)

Fritt från förvrängning dynamiskt område Det bestäms av det tillstånd som snedvridningar av linjärt och olinjärt ursprung är lika drabbade av distorsion i demodulatorn och detekteringen av sin egen signal är lika förtrollad. Det betyder att BER inte överstiger samma värde av 0,1%, som sattes vid bestämning av känsligheten, är det nödvändigt att kraften hos den mottagna signalen var 3 dB över brusnivån (vilket motsvarar känsligheten hos PM-mottagaren) . Därför erhölls IP3 \u003d -16 DBM i uttryck (2), förutsatt att PIM3-intermodulationsprodukten är lika med mottagarens känslighet, har två interfererande signaler en effekt på 0 dBm, och interferensen är närvarande på ett avstånd av 1 m.

Kombinera värdet av IP3 \u003d -16 dBm med mottagarens känslighet P min \u003d -70 dBm, från (1) och (2) får vi det fria från Distortion Dynamic Range (SFDR) Bluetooth-mottagare måste vara lika med

SFDR \u003d 2/3 (IP 3 - (P min + 3 dB) \u003d 50 dB. (3)

Sändarens block är också ganska enkelt. Binär GFSK-modulering erhölls genom direkt modulering av CM-Gometodin. Ytterligare fasövningar med ökande frekvens är varför inte behövs. Den modulerande signalen filtreras av ett gaussiskt filter för att bibehålla bredden av spektrumet av 1 MHz, som krävs för FM-system som arbetar i ISM-frekvensen vid 2,45 GHz. Modulering med Gaussian kuvert innebär inte höga krav på sändarens linjäritet av utmatningskaskaden, de kostnadseffektiva förstärkarna i klass C.

Bluetooth-sändarkraft är ca 0 dBm (det får använda maximal effekt upp till 20 dBm). För effektnivåer som överstiger 0 dBm appliceras strömkontrollen över en sluten kontur.

Beräkning av mobiltelefonens intervall i Bluetooth-systemet

Det är känt att kraften hos radiosignalen vid mottagningspunkten p n är lika med:

där P är strömstrålad av sändaren; G m är den maximala förstärkningen av sändantennen; Ett ech.m - det maximala effektiva området för mottagningsantennen (proportionellt mot antennens geometriska område); F (,) - funktionen hos selektivitetsdiagrammet för den sändande antennen; F "(", ") - funktionen av valet av mottagningsantennen.

Från den här formeln kan du få det maximala sortimentet av radiokommunikation, förutsatt att antennerna riktas mot varandra,

där p n.min är mottagarens känslighet, i vårt fall p n.min \u003d 10-10 w (-70 dBm).

Byte i formel (4) sändarens p \u003d 10-3 W, G m \u003d 0,5, A EFF.M \u003d 25 · 10 -6 (5 till 5 mm), erhåller vi R m \u003d 3 m.

Detta värde uppfyller ungefär kraven i Bluetooth-systemet och kan fungera som utgångspunkt för beräkning av antenngeometrin, eftersom de återstående egenskaperna bestäms av standarden för urvalschipet.

Bluetooth-antenner (översikt över tillverkare och lösningar)

Flera företag, som Hitachi-metaller, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion och andra, har redan producerat ett brett spektrum av antenner som används i mobiltelefoni och är speciellt utformade för Bluetooth-system med hjälp av keramiska material med bra högfrekventa egenskaper .

Hitachi Metals släppta antenner av typen "E-Type Electrode Configuration" (fig 4), väl lämplig för Bluetooth-applikationer. Den plats som krävs för den nya antennen är mycket liten (15x3x2 mm), det är inte känsligt för placeringen av de perifera delarna, kan göras i form av en högeffektiv kristallantenn för Bluetooth, lätt att använda.

Figur 4. Utsikt över Hitachi Metals antenn för Bluetooth

Antek Wireless Inc. Utvecklat en ny 2,4-GHz-antenn av en originaldesign, vilket ger effektivitet som faktiskt överstiger några tekniska krav i projektet, miniatyr och kan installeras nästan vilken som helst enhet. Antennen är tillämplig på olika tillämpningar av typen av trådlös videosignal, ljudutrustning, hörlurar, modem, mobila datorer, bärbara telefoner och andra bärbara fickanordningar med hjälp av Bluetooth-protokoll, IEEE 802.11 och Homerf.

Centurion International har utvecklat en intern PIFA-antenn eller en slags platt antenn för användning i bärbara datorer med hjälp av Bluetooth-teknik. Den nya antennen gör det möjligt för datortillbehör att utveckla bärbara enheter som enkelt är kopplade till bärbara telefoner och meddelandesystem är anslutna till Internet vid höga dataöverföringshastigheter.

Murata Manufacturing Co. Produktion och försäljning av inbyggda dielektriska antenner för bärbara datorer med hjälp av Bluetooth-teknik (bild 5). Dimensionerna av modulen i den nya G2-serien - 15x5.8x7,0 mm.

Figur 5. Chip antenn ancG22G41 Murata

Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. Ltd Frigör en super-kompaktantenn för Bluetooth-enheter. Antennen utförs på keramisk basis och har dimensioner på 5x1.2x1.2 mm. Detta är den minsta antennen i Bluetooth-industrin. Antennens egenskaper är som följer: driftsfrekvensen är 2,4 GHz, förstärkningskoefficienten -2 DBI, koefficienten för stående våg för spänning (KSVN) 2,0.

Figur 6. Keramisk antenn i ett mobiltelefonhus (foto)

TDK Corp. Frigör två halvvågiga medelstora antenner (7 med 7 mm) för användning i produkter baserade på Bluetooth-teknik. Antennen CanPB0715 har en amplifieringskoefficient -5 dBi och antennen CANPB0716 - 3 DBI. De flesta andra små antenner är kvartvåg. Deras användning är endast möjlig i större mobila enheter, såsom bärbara datorer, där den är jordad på enhetens kropp. För mobiltelefoner var det nödvändigt att utveckla halvvågantenner.

Figur 7. 3D-view Bluetooth-antenn i metalliserad mobiltelefonväska (ritning i HFSS)

E-typ antennkonfiguration

Tidigare hade antennerna två huvudkonfigurationer: omvänd asymmetrisk F-typantenn och en platt antenn.

Den inverterade F-antennen har en sida öppen, och den andra är jordad, vilken är klar för att minska storleken, men den öppna sidan är underordnad motverkan av jordningselektroden. Därför krävs ett stort område för att implementera antennegenskaper i ett givet utrymme och försiktighet är nödvändigt vid utformningen av placeringen av de perifera komponenterna.

Dessutom är den platta antennen mycket känslig (hög förstärkning) och har starka riktade egenskaper, vilket gör det olämpligt för Bluetooth-applikationer där omnidaritet är nödvändig.

Den typ av antenn som utvecklats av Hitachi-metaller har unika fördelar med F-typens omvänd antenn, men innefattar jordningselektroder på båda sidor och läggs till central, konformad elektrod. Med andra ord kan den nya E-Type-elektrodkonfigurationen, som uppfanns i Hitachi-metaller, vara ännu mer miniatyriserad och påverkar inte signifikant de närliggande jordningselektroderna. Ju mindre antennen, desto mindre påverkar dess parametrar.

En analys av alla antenndesigner för Bluetooth-systemet ovan, låter dig välja de huvudsakliga antennparametrarna som ingår i antennspecifikationen, på grundval av vilken du kan välja metod för att designa en mobiltelefon med en sådan antenn.

Tekniska krav för Bluetooth-systemantennen:

• frekvensoperationsremsa: 2400 ... 2500 MHz;
• genomsnittlig amplifiering: -3 dBi;
• ingångsmotstånd: 50 ohm;
• Vswr: 3 eller mindre.

I processen med att designa ett antennsystem är det nödvändigt:

• beräkna matchningsstrukturen mellan filteringången och microstrip-antennens effektpunkt;
• optimera jordytan (ibland kallad motvikt), det vill säga att hitta den optimala fyllningen av den inre ytan av telefonens kropp med ledande områden. För närvarande implementeras detta ofta av de smidiga individuella delarna av den ledande färgen.

Syftet med antennens konstruktion är att erhålla det erforderliga orienteringsdiagrammet (DN) och god matchning i frekvensremsan.

Analys av den generella strukturen i den plana antennen

Från översynen av de befintliga antennerna för Bluetooth-systemet är det klart att de har metallformer av komplexkonfiguration, sprutas på en eller flera sidor av det tredimensionella substratet, oftast keramiska med stor permeabilitet (fig 8). Därför kan vi säga att var och en av dessa former är en resonator. Det är känt att antennens dimensioner är associerade med arbetsfrekvensen. Om vi \u200b\u200bantar att antennen resonerar längs en längre sida, kan antennens längd uppskattas enligt nästa enkla formel:

där f r är en given resonansfrekvens; - Relativ dielektrisk permeabilitet hos substratmaterialet. Denna formel tar inte hänsyn till effekten av bredden av antennsubstratet och substrattjockleken i resonansfrekvensen, men denna effekt är vanligtvis obetydlig. Formeln (1) återspeglar den tryckta antennens fysiska natur (fig 9) som en halvvågsresonator, vilken är formad i utrymmet mellan den övre ledaren och antennens utgrävning. Till exempel, vid en frekvens f r \u003d 2,5 GHz och \u003d 34 (keramik) från (1) har vi en ~ \u003d 10,3 mm.

Figur 8. Geometri av Bluetooth-antenn YCE-5207 i AutoCAD-systemet

Figur 9. Bluetooth-antenn (toppvy) Designad i AutoCAD

Antennlängden kan minskas minst två gånger (när man arbetar med samma frekvens), om den ena änden är jordad. I det här fallet visar det den så kallade inverterade F-antennen (PIFA), vilket representerar kvartvågsresonatorn, en ände är jordad, och den andra är öppen (tomgång). PIFA (fig 3) är upphetsad av en koaxial linje vid en punkt där antennens inmatningsmotstånd är nära 50 ohm. Således kan PIFA-längden vara ungefär uppskattad som

För en antenn som är konfigurerad i samma frekvens f r \u003d 2,5 GHz och \u003d 34, får vi en ~ \u003d 5,1 mm, som redan är upptagen av mycket mindre utrymme än i föregående fall. Den faktiska antennstorleken kan till och med vara mindre, på grund av effekten av det regionala nära fältet fokuserat på resonatorns öppna ände.

Storleken på e-antennen, eftersom den kyls från båda sidor, kan ungefär uppskattas som

Eftersom antennerna för Bluetooth-systemet är belägna i den halvskruvade skärmen av komplex form, kan antennsystemets egenskaper skilja sig avsevärt på de egenskaper som beräknas på teoretiska formler. I detta fall kan antennparametrarna (ledarnas storlek och avståndet mellan dem i höjd) optimeras med en av programvarupaketSimulering av elektromagnetiska strukturer (fig 10).

Figur 10. Det närmaste fältet i mobiltelefonen (i HFSS-fältet)

Det bör noteras att fördelen med den lilla storleken av PIFA-antennen uppnås genom att reducera sin radiativa förmåga (endast en kantstrålar), dessutom, vanligtvis PIFA-antenner är smalband.

Numeriska designmetoder för plana antenner

Antenner är huvudkomponenterna i alla radiokommunikationssystem och använder ledigt utrymme som ett överföringsmedium. De används för att associera sändaren eller mottagaren i ledigt utrymme med gränssnittet.

Antenner har ett antal viktiga parametrar, vars största intresse har ökat, strålningsmönsterdiagram, intervallbredd och polarisation.

Modern design av cellulära antenner (fig 11) är baserad på modellering av elektromagnetiska fenomen på en dator, med hjälp av de resultat som erhållits på grundval av skissberäkningar och heuristiska överväganden som initialdata.

Figur 11. Utsikt över Bluetooth-antenn i mobiltelefonväska

När man skapar en modell är det nödvändigt att komma ihåg att geometrin måste överensstämma med antennens verkliga position under drift, det vill säga så att kroppen är i vertikal position (eller i låg vinkel). I det här fallet är den platta antennen i positionen "på kanten".

Funktioner av miniatyr keramiska antenner

Den keramiska antennen är gjord på ett substrat med hög dielektrisk konstant. Material med hög permeabilitet har också stora förluster.

Därför måste beräkningen av sådana antenner utföras med användning av program som i grunden tar hänsyn till förluster i keramik. Ett sådant program är HFSS-programmet.

För att framgångsrikt installera en platt antenn i utformningen av ett mobiltelefonrör, måste du genomföra avvecklingsstudier som skulle visa beroende av egenskaperna hos ett antennsystem från vissa delar av telefondesignerna.

Vi noterar följande funktioner i microstrip antenner:

• microforn antenner är mer smalband, jämfört med spiraler;
• microstrip-antenner implementeras enkelt med cirkulär polarisation, jämfört med övervägande vertikal polarisation i spiralantenner;
• microforn-antenner har ett mer ojämnt strålningsdiagram i azimuthalplan än spiral och vibrerande, på grund av dess asymmetri i förhållande till den vertikala axeln.

Som redan noterat är den keramiska antennen en 3D-struktur, på ytan av vardera sidan av vilka metallledare av en viss form appliceras. Denna design kan ha en eller flera exciteringspunkter. I dessa punkter på antennen levereras en excitationsspänning, vilket leder i strålningsströmmarnas struktur. Excitationspunkter kan associeras med en symmetral transformator (baluster).

Förutom exciteringspunkterna kan det finnas jordningspunkter på den tryckta antennen (fastsättning på jordplanet). De strömmar som anförtrotts i denna komplexa design bildar ett strålningsdiagram och implementerar andra antennegenskaper som är nödvändiga för att upprätta kommunikation med personlig dator eller en annan enhet.

Eftersom det är möjligt att bestämma fördelningen av strömmar i systemet, då kan deras analys tjäna som grund för uppgradering av en antenn.

Vid utformningen av en antenn är det nödvändigt att först och främst få inmatningsmotståndet nära 50 ohm, eftersom det i detta fall kommer att vara möjligt att förhandla antennen med en låg ljudförstärkare och effektförstärkaren av sändningsbanan.

Till exempel, om storleken på retennens returförlust (parameter 20 logg | s 11 |), beställ -20 dB, föreslår detta att antennens arbetsområde kommer att fungera med bra överenskommelse med det omgivande utrymmet. Värdet på -20 dB visar att generatorns kraft kommer att absorberas nästan utan reflektion av antennen, som i sin tur laddas med ledigt utrymme. Antennen är en transformator mellan effekten från effektförstärkaren (eller ingången på lågljudförstärkaren) och det fria utrymmet, vågmotstånd Vilket för en platt våg i fjärrzonen kan betraktas som lika med 377 ohm.

Följande krav är egenskaperna hos strålningen som bestämmer förmågan hos antennen avgivning i olika riktningar. Vid utformning och beräkning av antennerna är vanligtvis intresserade av tvärsnitt av ett fokusdiagram i två ömsesidigt vinkelräta plan: azimutal och arg. Azimuthal DN bestämmer antennens förmåga att avge i ett horisontellt plan, den arga botten - i vertikal. Och samma dag är viktiga för en mobiltelefon, men den första bestämmer omnidariteten, och det är mer karakteristiskt att uppskatta strålningen under driftsförhållanden. Parametrarna för riktningen för den tryckta antennen eller dess modifieringar bör inte vara sämre än de befintliga spiralstiftantennerna.

Bluetooth-antennstrålningsegenskaper

Tabellen presenterar resultaten av antennmodelleringen i huset med användning av de exakta geometriska storlekarna av en viss design. Tabellen visar att parametrarna för den beräknade konstruktionen är signifikant olika från de uppmätta matchande parametrarna (bild 16). Därför analysera orsakerna till dessa skillnader.

Tabell. Effekt, utstrålad antenn, riktning, amplifiering och magnetud i frånvaro av förluster i substratet (tangenten av dielektrisk permeabilitet \u003d 0). Kraft Den nominella generatorn vid ingången (port) är 1 W

F frekvens	P sal Emitted makt, beräkning, w (beräknade effektbelopp genom strålningsplanet)	D mat, db (beräkning på hfss)	G förstärkning, db \u003d p sed / p nom	S 11 Beräkning på HFSS	20 loggar 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

Den största huvudskillnaden mellan den beräknade och verkliga designen ligger i substratets parametrar. Således motsvarar beräkningsdata som visas i tabellen ett idealiserat fall av frånvaro av förluster i ett keramiskt substrat. I detta idealiserade fall utan förlust kommer vi att hitta förhållandet mellan tabellparametrarna.

Pizel beräknas av HFSS-programmet genom strålningsgränsen. All kraft som passerar genom väggarna som betecknar gränsen för det fjärrfältet summeras och ger detta p.

Om substratet och ledarna utan förlust, då är all den kraft som har kommit till antennen emissus, det vill säga p är. \u003d P ANT, och den här effekten som har kommit till antennen och sedan emitteras bestäms, i sin tur, mismatch:

P var t \u003d p ANT \u003d P NOM (1 - | s 11 | ²), (7)

där p NOM är generatorens nominella kraft. Vid beräkningen på HFSS ges den 1 W.

Vid en frekvens av 2 GHz, i enlighet med bordet, från (7) har

P ANT \u003d 1 (1 - | 0,96 | ²) \u003d 0,07W,

vad motsvarar det värde som erhållits av värdet i värdet i tabellen.

Antennstärkning per definition är lika

Ersättning (7) i (8), vi erhåller, i en logaritmisk skala,

G \u003d 10lg (1 - | s 11 | ²) + d. (nio)

För frekvens på 2 GHz, har vi antennförstärkning

G \u003d 10LG (1 - | 0,96 | ²) + 3,47 \u003d -7,8 dB.

Så vi visade anslutningen av antennparametrarna för fallet utan förlust i substratet.

Referera (7) i följande formulär:

Analysera beräkningen av HFSS, vi ser att med en frekvens av 2 GHz och vid andra frekvenser är förstärkningen av antennen dålig, och viktigast av allt, antennens störning sker (fig 12). Experimentet visar emellertid förbättringen av antennen är signifikant högre, även utan införlivande av matchande kedjor. Vad är fallet? Det visar sig att det är konstigt nog, förekomsten av förluster i det keramiska substratet bidrar till harmoniseringen av antennen och förbättringen av egenskaperna hos en liten antenn, jämfört med den vanliga antennen, vars dimensioner är proportionella med en våglängd. I själva verket ökar förlusten till värdet av Tg \u003d 0,1 (naturligtvis, orealistiskt) genom att beräkna HFSS, erhåller vi de kvalifikationsberoende som visas i fig. 13.

Figur 12. Frekvensrespons Bluetooth-antenn med keramiska parametrar \u003d 34, Tg \u003d 0 (utan förlust). Från bilden är det klart att samordningen är dålig

Figur 13. Frekvensrespons Bluetooth-antenn med keramiska parametrar \u003d 34, Tg \u003d 0,1 (vid 2 GHz-frekvens)

För att undersöka antennens effektivitet, beroende på förlusten, beräknar vi beroendet av antennens egenskaper i fallet från förluster i keramik. Keramik har förluster, och beräkningar visar att om vi antar att det inte finns några förluster, har antennen dålig matchning, om det är en förlust - förhandlingen förbättras.

Power P beräknas av programmet är numeriskt som summan av kapaciteten som faller på alla strålningsgränser. Denna kraft är mindre än generatorns nominella kraft, och är bara en del av det.

Eftersom vi i det här fallet har förluster definieras de som kapacitetsskillnad mellan ärendet utan förlust, formel (7) och värdet av p är. Jämställdhet P var tonad \u003d P Ant är inte längre rättvist, dessa kapacitet skiljer sig åt i förluster i substratet:

P var t \u003d p ant - P. (elva)

Att ersätta (11) i formel (8) erhåller vi att förstärkningen av antennen med hänsyn till förlusterna i keramik är belägen med formeln

som kan representeras som

| S 11 | ² \u003d 1 - ktg - g / d, (13)

där K * TG \u003d P RUBLE / P NOM, K i det allmänna fallet är inte lika med 1.

Från (13) det kan ses att | s 11 | ² minskar med ökande förluster, och det kan förstås varför samordning med antenn uppnås lättare för keramik med förluster.

Figur 14. Bluetooth-antennsystemhastigheten COMERATE DIAGRAM

Figur 15. Azimuthal Cell Phone Directivity Chart med Bluetooth-antennsystem

Beräkningar visar att användarens kropps påverkan på ett litet antennmönster är betydligt mindre än på botten av huvudcelltelefonantennen. Detsamma kan sägas om den omvända effekten av den utstrålade effekten av Bluetooth-antennen på människokroppen.

Experimentell studie av den plana antennen

Experimentell antenninställning kan utföras genom kriteriet om samordning och av dagens kriterier. I fig. 16 visar det uppmätta frekvenssvaret hos parametern S11, som appliceras på Smith-diagrammet.

Figur 16. Mätt på kedjeanalysatorn. Antenninmatningsmotståndet i huset

Dessa experimentella mätningar görs på HP8632-kedjemätaren.

En experimentell mätning av antennsystemets förskjutningsfrekvens vid avskärmning av en antennskärm visade att vården av resonansfrekvensen när en antenn infördes i huset var 50 MHz.

Slutsats

Artikeln diskuterar funktionerna i modellering av mikrostripantennen i Bluetooth-systemet som är avsett för trådlös lokal kommunikation. Bluetooth-systemet i mobiltelefonen beaktas. Huvudfunktionen i antennsystemets arbete är antennens arbete i en mycket metalliserad byggnad, det vill säga med en större motvikt. För att beräkna de strömmar som inspekteras av en antenn på ytan av ärendet är det därför nödvändigt att applicera analysprogrammet i 3D-representation. Ett sådant program är HFSS. I detta fall är simuleringen av antennen tillsammans med andra delar av fallet den väsentliga delen av hela konstruktionen av antennens och rördesignens konstruktion.

Funktionerna hos modelleringsprocessen demonstreras på exemplen på YCE-5207-antennplåstret, som presenteras av en kombination av en rektangulär metallplattform och en mikrofiberlinje på keramik med en stor dielektrisk konstant av tillräckligt komplexa former. Resultaten av den specifika analysen presenteras i form av frekvensegenskaper hos reflektionskoefficienten, strömmen på huset, det närmaste fältet och dagen. Inverkan av elementet i rörkroppen på strålningsdiagrammet i fjärrzonen visas. Betraktas som båda yttre och intakta alternativ för fastsättning av antenn.

Litteratur

1. Jennifer Bray, Charles Sturman. Bluetooth: Anslut utan kablar. Prentice-Hall, 2001. 495 p.
2. Balanis C.A. Antennteori: Analys och design, Wiley & Sons. 2: a upplagan. 1997.
3. Fujimoto K. och James J.R. (Redaktörer). MOBIL ANTENNA SYSTEMS HANDBOOK. 2: a upplagan. Artech House. 2001. 710 p.
4. Kesshenikh V., Ivanov E., Kondrashov Z. Bluetooth: Principer för konstruktion och funktion // chip nyheter. 2001. Nr 7. s. 54-56.
5. Kalinichev V., Kurushin A. Microforn Antenner för mobiltelefoner // Chip News. 2001. Nr 7. S. 6-12.

Trådlösa enheter är mycket bekväma - du behöver inte oroa dig mer för ledningarna, men du måste tydligt förstå att anslutningen "med flyg" har sina egna bestämda begränsningar på radien. Och billigare, till exempel, det kommer att finnas en Bluetooth-adapter som du förvärvar för din dator, desto mindre kan du flytta från den för att få en stabil anslutning. Naturligtvis ger några dyra enheter inte alltid bra resultat. Idag kommer vi att prata om hur man stärker Bluetooth-signalen och hur verklig det är.

allmän information

I artikeln beskrivs några metoder som innebär en demontering av adaptern, som ersätter sina delar eller modifiering med lödning, vilket kan komma långt ifrån alla. Om du inte förstår elektroniken, är det inte särskilt snabbt att använda ett lödstryk eller din enhet under garantin, undvik du liknande metoder.

Vi kompletterar adaptern

Den enklaste, men inte den mest effektiva metoden, hur man ökar Bluetooth-hastigheten, kan betraktas som ett adapter tillägg till reflektorn, som kommer att skicka en signal i en specifik riktning och stärker inte dess fördelning till alla 360 grader.

Du kan försöka göra en sådan reflektor från en tenn öl kan, skära av hennes topp och göra några fler slots: från topp till botten och sedan från henne lite till sidan, som om det är något som skiljer botten av bankerna.

Bluetooth-adaptern är fastsatt i mitten av vad du måste göra och ansluter till en USB-adapterdator.

Något som detta kan byggas från kartong med folie klistrad på den.

Ett annat alternativ som kan fungera är att skära av endast toppen av bankerna, gör sedan en slits för skrovet närmare botten av burken och sätt in adaptern inuti den sida där antennen är belägen. Vidare, igen, åtgärda metoden som är bekväm för dig och anslut genom förlängningen.

Modifieringar

Och nu kommer vi att prata om hur man medför en fysisk modifiering av adaptern själv. I billigare är det osannolikt att du hittar en extern antenn, där det i själva verket är deras problem.

Vi öppnar kroppen, om det finns ett sådant tillfälle, och vi letar efter en SMD-antenn, som är i en avgift, - du måste falla ut, bara mycket noga, inte överhettningsobjekt.

Vidare lödar vi SMA-kontakten i antennplatsen, innan det, avlägsnande av allt onödigt: den del där antennen är skruvad, rör inte, och i den andra änden skär du av kanten, vi delar upp skärmen Och vener, vi rengör dem, vi spänner ut.

Om du har tvivel var exakt hur man lödder, är det bäst att kontakta radio amatörer forum.

Nu ansluter vi till det faktum att vi har kommit ut, antennen som kan djärvt vrids från den gamla Wi-Fi.

Om du redan har en dyrare enhet med en extern antenn, men du är fortfarande missnöjd med signalen, spara sedan situationen Hyper Gain-antennen - Köp den, klippa av adaptern för anslutning och separera skärmen med bostäder.