Bluetooth sinyalini iyileştirme: ustalar için yollar. Cep telefonlarında BlueTooth düzlemsel anten sistemleri Bluetooth modülüne harici anten bağlantısı

Şimdi oldukça sık, yerleşik akıllı telefonlar, telefonlar veya iletişim cihazları üretiyorlar. Wi-Fi adaptörü... Ve Wi-Fi menzili yaklaşık yüz metredir, ancak Bluetooth ile donatılmış telefonlar yalnızca on metreden fazla olmayan bir mesafede dosya iletir ve alır. Bir bilgisayar için bir USB bluetooth'unuz ve bir bluetooth telefonunuz varsa, ancak alıcı aralığında bir artış elde etmek istiyorsunuz. Bütün bunlar oldukça mümkün, ancak usb-bluetooth'u geliştirmek gerekiyor.

Pekala, başlayalım. Bir bilgisayar için bir bluetooth adaptörünü söküyoruz, bundan sonra bluetooth kasasında hata ayıklamanız ve adaptör kartını çok dikkatli bir şekilde incelemeniz gerekiyor.

Tüm adaptör modellerinde kartın ucunda spirale benzer bakır kontak vardır, fotoğrafta 1 numaradır. Bu spiral bluetooth antendir ve ona ek bir ev yapımı anten lehimlenecektir.

0,4 ila 0,8 mm çapında tek damarlı bir bakır tele ihtiyacımız var. Tel vernik yalıtımı ile kaplanmıştır ve ondan tamamen kurtulmanıza gerek yoktur. Teli fotoğraftaki gibi bükeceğiz, sonra bakır telin ucunu önce reçine, sonra kalay ile işleyeceğiz. Aynı işlem bluetooth'da bakır coil ile yapılmalıdır, adaptör kartını aşırı ısıtmayın, tüm işlemleri çok dikkatli yapın.

Ardından, bluetooth adaptörü için kasanın kendisinde çıkış noktasında bir delik açmanız gerekir. ev yapımı anten... Şimdi durumda tahtayı çok dikkatli bir şekilde kapatacağız. Böylece yükseltilmiş bluetooth hazır, bu da alım aralığında 4 kat artış sağlıyor.

Alım aralığını daha da artırmak için, yalıtımla kaplanacak yeterince uzun telli bir tel alabilir, ucu soymanız ve antene sarmanız gerekir, ikinci uç duvara çakılan küçük bir çiviye takılabilir.

Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion ve diğerleri gibi birçok firma, hücresel telefonda kullanılan ve iyi RF özelliklerine sahip seramik malzemeler kullanan Bluetooth sistemleri için özel olarak tasarlanmış çok çeşitli antenler üretiyor.

Hitachi Metals, Bluetooth uygulamaları için çok uygun "E-Tipi Elektrot Konfigürasyonu" antenlerini (Şekil 28) piyasaya sürdü. Yeni anten için gereken alan çok küçüktür (15x3x2mm), çevresel parçaların konumuna duyarlı değildir, Bluetooth için yüksek performanslı kristal anten olarak yapılabilir, kullanımı kolaydır.

Pirinç. 28

Antek Kablosuz A.Ş. neredeyse tüm proje özelliklerini aşan, minyatürleştirilmiş ve hemen hemen her cihaza kurulabilen dahiyane bir tasarıma sahip yeni bir 2.4GHz anten geliştirdi. Anten, kablosuz video iletimi, ses ekipmanı, kulaklıklar, modemler gibi çeşitli uygulamalar için geçerlidir. mobil bilgisayarlar Bluetooth, IEEE 802.11 ve HomeRF protokollerini kullanan taşınabilir telefonlar ve diğer taşınabilir el cihazları.

Centurion International, Bluetooth teknolojisini kullanan dizüstü bilgisayarlarda kullanım için dahili bir PIFA anteni veya düz anten varyasyonları geliştirmiştir. Yeni anten, bilgisayar üreticilerinin taşınabilir aletler bu kolayca bağlantı taşınabilir telefonlar ve mesajlaşma sistemleri internete yüksek veri hızlarıyla bağlanır.

Murata İmalat A.Ş. Bluetooth teknolojisini kullanan dizüstü bilgisayarlar için yerleşik dielektrik antenler üretmeye ve satmaya başladı (Şekil 29). Modül boyutları yeni seri G2 - 15x5.8x7.0mm.

Pirinç. 29

Miyazaki Matsushita Elektrik Sanayi A.Ş. Ltd. Bluetooth cihazları (30) için ultra kompakt bir anten başlatır. Anten seramik bir taban üzerine yapılmıştır ve 5x1.2x1.2 mm ölçülerindedir. Bluetooth endüstrisindeki en küçük antendir. Anten özellikleri aşağıdaki gibidir: çalışma frekansı 2.4 GHz, kazanç -2 dBi, voltaj duran dalga oranı (VSWR) 2.0.

TDK A.Ş. Bluetooth teknolojisine dayalı ürünlerde kullanılmak üzere iki küçük yarım dalga anteni (7 x 7 mm) üretmektedir. CANPB0715 anteninin kazancı -5 dBi'dir ve CANPB0716 anteninin kazancı 3 dBi'dir. Diğer küçük antenlerin çoğu çeyrek dalga boylu antenlerdir. Kullanımları sadece daha büyük mobil cihazlarörneğin, cihazın kasasına zeminin yapıldığı dizüstü bilgisayarlar.

Önceden, antenlerin iki temel konfigürasyonu vardı: F tipi dengesiz ters anten ve düz anten. Tersine çevrilmiş bir F anteninin bir tarafı açık ve diğer tarafı boyutu azaltmak için topraklanmıştır, ancak açık taraf toprak elektrotundan etkilenir.

Pirinç. otuz

Bu nedenle, belirli bir uzayda anten özelliklerini gerçekleştirmek için geniş bir alan gereklidir ve çevresel bileşenlerin düzenini tasarlarken dikkatli olunmalıdır. Ek olarak, düz anten oldukça hassastır (yüksek kazanç) ve güçlü yön özelliklerine sahiptir, bu da onu çok yönlülüğün gerekli olduğu Bluetooth uygulamaları için uygun hale getirmez.

Hitachi Metals tarafından geliştirilen anten tipi, F tipi ters antenin benzersiz avantajlarına sahiptir, ancak her iki tarafta topraklama elektrotları içerir ve bir merkez, konik elektrot ekler. Başka bir deyişle, Hitachi Metals tarafından icat edilen yeni E-Tipi Elektrot konfigürasyonu daha da küçültülebilir ve yakındaki toprak elektrotlarını önemli ölçüde etkilemez. Anten ne kadar küçükse, durum parametrelerini o kadar az etkiler.

Yukarıda verilen Bluetooth sistemi için tüm anten tasarımlarının analizi, böyle bir antene sahip bir cep telefonu tasarlamak için bir yöntem seçebileceğiniz, anten spesifikasyonunda yer alan ana anten parametrelerini seçmenize olanak tanır.

Bluetooth anten özellikleri:

Çalışma frekansı bandı: 2400 ... 2500 MHz;

Ortalama kazanç: -3 dBi;

Giriş empedansı: 50 Ohm;

VSWR: 3 veya daha az.

Bir anten sistemi tasarlama sürecinde gereklidir:

Zemin yüzeyini optimize edin (bazen karşı ağırlık olarak da adlandırılır), yani telefon kılıfının iç yüzeyinin iletken alanlarla en uygun şekilde doldurulmasını bulun. Günümüzde, bu genellikle muhafazanın tek tek parçalarını iletken boya ile boyayarak yapılır.

Anten tasarımının amacı, gerekli ışıma modelini (DP) ve çalışma frekansı bandında iyi eşleşmeyi elde etmektir.

Düzlemsel anten sistemleri mavi diş cep telefonları

V. Kalinichev, A. Kurushin, V. Nedera

Cep Telefonlarında BlueTooth Düzlemsel Anten Sistemleri

Makale, kablosuz yerel iletişim sistemi Bluetooth'ta düzlemsel mikroşerit antenlerin uygulanması ile ilgilidir. Düzlemsel bir seramik antenin tasarımları ve analiz yöntemleri, seramikteki kayıplar dikkate alınarak ele alınmaktadır. Gövdedeki antenin sayısal analizi için HFSS programı kullanılmıştır. Belirli bir el cihazı için aşağıdaki hesaplamalar yapıldı: dielektrikle kaplanmış bir metal yüzeyi üzerindeki akım dağılımı, telefon gövdesi, bir cep telefonunun farklı yönelimleri için yön modelleri. Seri Bluetooth antenlerine genel bir bakış ve ayrıca bu antenleri muhafazaya takma önerileri verilmiştir.

Tanıtım

Bilgi alışverişinin hızındaki artış, gelişmeye katkıda bulunmuştur. kablosuz sistemler"ev" düzeyinde bağlantılar. Kişisel bilgisayarlar ve dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları, CD ve MP3 oynatıcılar, dijital fotoğraf ve video kameralar ve diğerleri dijital cihazlar(şekil 1), genellikle birbirine bağlı ve sabit bilgisayarlar, bağlantılarında bir sorun yarattılar.

Şekil 1. Bluetooth kablosuz teknolojisini kullanan kısa menzilli bir yerel iletişim sistemi

Kablo uygunsuz hale geldi - sık sık bağlamanız gerekiyor, kablonun kendisinin konektörlerle boyutları, bağlanacak gerçek cihazdan neredeyse daha büyük vb. Bu arka plana karşı, kablosuz bağlantının önemi yerel teknolojiler WLAN (Kablosuz Yerel Alan Ağı), cihazın ana bilgisayarın diskine temassız bağlantısını sağlar.

Sonuç olarak, sistem önerildi ve hızla geliştirildi. kablosuz Bluetooth (şekil 1). Radyo frekans spektrumunda, kendisine 37 MHz bandında (her biri yaklaşık 2 MHz) 2.4465-2.4835 GHz aralığında 79 kanal tahsis edilmiştir.

öz Bluetooth standardı ekipmanda elektronik aletler 10 m'ye kadar menzile ve 1 Mbit / s'ye kadar veri aktarım hızına sahip 2.45 GHz frekansında çalışan alıcı-vericiler. Bu cihazların uygulama olanakları gerçekten sonsuzdur. Kablosuz kulaklık, fare, klavye, bağlantı cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar, cep bilgisayarları arasında bilgi alışverişi - sadece listelemek için.

Bluetooth sistemi 2.45 GHz yetkili bandında (ISM - Endüstri, Bilim, Tıp bandı endüstriyel, bilimsel ve tıbbi uygulamalar için) çalışır ve Bluetooth cihazlarının dünya çapında özgürce kullanılmasına olanak tanır. Teknoloji, yayılı spektrumlu frekans atlamalı (1600 atlama / s) kullanır. Çalışma sırasında verici, sözde rastgele bir algoritmaya göre bir çalışma frekansından diğerine atlar. Alıcı ve verici kanalları ayırmak için zaman bölümü kullanılır (Şekil 2). Senkron ve asenkron veri aktarımı desteklenir ve TCP/IP ile entegrasyon sağlanır. Zaman dilimleri, her biri kendi radyo sinyali frekansında iletilen paketlerin iletimi için senkronize edilir.

Şekil 2. A cihazı ve B cihazı arasındaki alternatif veri alışverişi

Bluetooth cihazlarının güç tüketimi 0.1W içinde olmalıdır. Her cihazın benzersiz bir 48-bit'i vardır. ağ adresi format uyumlu standart yerel bölge ağları IEEE 802.

Bluetooth sistemlerinin temel tasarım ilkesi, frekans atlamalı yayılma spektrumunun (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum) kullanılmasıdır. Bluetooth radyo iletişimi için tahsis edilen 2.402 ... 2.480 GHz frekans aralığının tamamı N frekans kanalına bölünmüştür. Her kanalın bant genişliği 1 MHz, kanal aralığı 140 ... 175 kHz'dir. Paket bilgilerini kodlamak için frekans kaydırmalı anahtarlama kullanılır.

ABD ve Avrupa için N = 79. İstisna, 23'ün Bluetooth için kullanıldığı İspanya ve Fransa'dır. frekans kanalları... Kanallar, 1600 Hz frekansında sözde rastgele bir yasaya göre değiştirilir. Sabit frekans dönüşü, Bluetooth radyo arayüzünün tüm ISM bandı üzerinden bilgi yayınlamasına ve aynı bantta çalışan cihazlardan kaynaklanan paraziti önlemesine olanak tanır. Bu kanal gürültülü ise, sistem başka bir kanala geçer ve parazitsiz bir kanal bulunana kadar bu devam eder.

Hızlı başlangıç Bluetooth sistemleri, yapının sadeliği ile büyük ölçüde kolaylaştırılmıştır. Bir radyo modülü alıcı-vericisi, bir iletişim denetleyicisi (işlemci olarak da bilinir) ve kontrol cihazı aslında Bluetooth protokollerini uygulayan üst seviyeler yanı sıra bir terminal cihazı ile bir arayüz. Ayrıca, alıcı-verici ve iletişim denetleyicisi özel mikro devreler (entegre veya hibrit) ise, iletişim kontrol cihazları standart mikro denetleyiciler, sinyal işlemcileri veya bunların işlevleri desteği üzerinde uygulanır. merkezi işlem birimleri güçlü terminal cihazları (örneğin dizüstü bilgisayarlar).

Ayrıca, içinde Bluetooth cihazları diğer uygulamalarda kullanılan entegre devreleri kullanın, çünkü 2 GHz mikrodalga aralığı oldukça iyi bir şekilde öğrenilmiştir ve Bluetooth'a dahil edilen teknik çözümler kendi başlarına çok fazla yenilik içermemektedir. Gerçekten de, modülasyon şeması yaygındır, frekans atlamalı yayılmış spektrum teknolojisi iyi gelişmiştir ve güç düşüktür.

Bluetooth teknolojisinin başarısının anahtarı radyo alıcı-vericisidir. Düşük maliyet ve düşük güç, hem arayüz özelliklerinin (kısa hava bağlantısı) uygulanmasında hem de alıcı-vericinin tasarımında temel hususlardı. Bluetooth teknolojisi, RF ve dijital işleme devrelerini tek bir silikon çip üzerinde birleştirerek tek çipli bir alıcı-verici oluşturmanıza olanak tanır.

Bluetooth alıcı-verici

Bluetooth alıcı-verici üç işlevsel bloğa bölünebilir (Şekil 3). Radyo ünitesi, yukarı ve aşağı HF dönüştürücüler, temel bant IF, kanal filtresi, modülatör / demodülatör ve frekans sentezleyici içerir.

Şekil 3. Bluetooth alıcı-vericisinin ana unsurları

Radyo ünitesi 2,45 GHz FM sinyalini bit akışına dönüştürür ve bunun tersi de geçerlidir. Anten sistemin çok önemli bir unsurudur. Anten çok yönlü olmalı ve 0 dBi kazancına sahip olmalı ve kullanıcının varlığı sinyal yayılımını engellememelidir. 2.45 GHz'deki küçük dalga boyu nedeniyle, anten boyutu birkaç cm ile sınırlıdır.Şu anda, düz veya PIFA antenleri çoğunlukla kullanılmaktadır, ancak seramik bir alt tabaka üzerinde daha küçük E-tipi tasarımlar bile önerilmiştir. Anten, 2.45 GHz frekansını ISM bandından ayıran bir bant geçiren filtre ile tamamlanmaktadır.

Basit ve sağlam alıcılar ve tutarsız algılama uygulamak için Bluetooth, frekans atlama etrafında 1 Mbps hızında bir Gauss darbe taraması ile İkili Frekans Kaydırmalı Anahtarlama (FSK) kullanır. Böyle bir sinyalin alanı BT = 0,5'tir; burada B, bant genişliğidir, T, 0,28 ila 0,35 arasında bir modülasyon indeksi ve 1 μs darbe süresi ile darbe süresidir. FM, frekansları değiştirirken ve düzensiz zaman aralıklarında veri geldiğinde çalıştırılması zor olan AGC ihtiyacını ortadan kaldırır. RF alıcısının ön ucu, bir alt dönüştürücü, bir kanal bant geçiren filtre ve bir frekans algılayıcıdan oluşur.

Kanal filtresi 1 MHz bant genişliği tahsis eder ve oldukça yüksek seçicilik gereksinimlerine sahiptir. ISM bandının banttaki diğer sistemlerle (diğer Bluetooth sistemlerini de kapsayabilir) paylaşılması gerektiğinden, cihazlar arasında birlikte çalışabilirliği engelleyecek önlemler alınmalıdır. Tipik olarak, bir Bluetooth alıcısı, frekans aşağı dönüştürme ile oluşturulur (yani, ayna kanalı IF bandına düştüğünde). Yakındaki çalışan Bluetooth sistemlerinin ayrıştırılması için ayna kanalı için engelleme faktörleri birinci, ikinci ve üçüncü bitişik kanallar için 20, 30 ve 40 dB olmalıdır.

Bluetooth sisteminin çalışmasının özellikleri nedeniyle, intermodülasyon için teknik gereksinimler, alıcının hassasiyetinden daha katıdır.

0 dBm'lik bir çıkış gücüyle 10 m'lik bir mesafeyi kat etmek için alıcı hassasiyeti P min = -70 dBm yeterlidir. Alıcının girişindeki gürültü seviyesi -114 dBm (1 MHz'lik bir gürültü bandında) ve alıcı yolunun çıkışındaki gereksinim K m = 21 dB dikkate alındığında, maksimum bilgi iletim hata oranını sağlamak için BER = % 0.1, gürültü rakamının 13 dB olduğunu elde ederiz ... Bu değer, duyarlılık formülünden hesaplanır.

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

burada -174 dBm, 1 Hz bant genişliğinde termal (kTB) gürültü gücüdür. normal sıcaklık; NF - gürültü rakamı, dB; B - demodülatörün önündeki frekans bandı, 1 MHz; a - yanıt eşiği, a = 3 dB; K m - modülasyon tipine bağlı olarak katsayı.

13 dB'nin oldukça altında olan bugüne kadar elde edilen gürültü rakamı ile karşılaştırıldığında, bu oldukça zayıf bir rakam olarak görünmektedir. Ancak bu düşük gereksinim, düşük maliyetli, kayıplı bileşenlerin kullanılmasına izin verir ve parazit yapan sinyallere (alt tabaka ve güç kabloları) karşı koruma sağlar.

Bluetooth alıcısının dinamik aralığını hesaplama

Girişte iki bitişik kanalın frekansları ile 2 sinyal olduğunu varsayarsak, dinamik aralığın üst sınırı, 3. sıradaki intermodülasyon bozulma ürününün seviyesi ile tahmin edilebilir.

f 0 + D f ve f 0 + 2D f frekanslarına sahip iki sinyal, f 0 frekansı ile ele alınan radyo kanalında üçüncü dereceden bir intermodülasyon bozulma ürünü P IM3 üretir. P IM3 ürününün güç seviyesi, giriş yapan enterferans gücünün giriş sinyaline ve tüm alıcının doğrusal olmayan parametresine - üçüncü dereceden kesme noktası IP 3 - bağlıdır ve şuna eşittir:

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

bozulma olmadan dinamik aralık doğrusal ve doğrusal olmayan orijinli bozulmaların, demodülatördeki bozulma üzerinde aynı etkiye sahip olması ve kendi sinyalinin tespitini eşit derecede bozması koşulundan belirlenir. Bu, BER'nin hassasiyet belirlenirken ayarlanan aynı %0,1 değerini geçmediği anlamına gelir, alınan sinyal gücünün gürültü seviyesinden (alıcı duyarlılığı Pmin'e karşılık gelen) 3 dB daha yüksek olması gerekir. Bu nedenle, intermodülasyon ürünü PIM3'ün alıcı duyarlılığına eşit olması, girişim yapan iki sinyalin gücünün 0 dBm olması ve parazitin 1 m mesafede mevcut olması koşuluyla, Denklem (2)'de IP3 = -16 dBm elde edilmiştir. .

IP3 = -16 dBm değerini alıcının duyarlılığı P min = -70 dBm ile birleştirerek, (1) ve (2)'den Bluetooth alıcısının distorsiyonsuz dinamik aralığının (SFDR) eşit olması gerektiğini elde ederiz.

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

Verici bloğu da oldukça basittir. İkili GFSK modülasyonu, FM yerel osilatörünün doğrudan modülasyonu ile elde edilir. Bu nedenle ek yukarı faz dönüşümleri gereksizdir. Temel bant sinyali, 2,45 GHz ISM bandında çalışan FM sistemleri için gerektiği gibi 1 MHz bant genişliğini korumak için Gauss filtrelidir. Gauss zarf modülasyonu, verici çıkış aşamasının doğrusallığı üzerinde yüksek talepler getirmez ve burada ekonomik C sınıfı amplifikatörler kullanılabilir.

Bluetooth verici gücü yaklaşık 0dBm'dir (maksimum güç 20dBm'ye kadar kullanılabilir). 0 dBm'den büyük güç seviyeleri için kapalı çevrim güç kontrolü uygulanır.

Bluetooth sistemindeki bir cep telefonunun menzilinin hesaplanması

P n alma noktasındaki radyo sinyalinin gücünün şuna eşit olduğu bilinmektedir:

burada P, verici tarafından yayılan güçtür; G m, verici antenin maksimum kazancıdır; eff.m - alıcı antenin maksimum etkili alanı (antenin geometrik alanıyla orantılı); F (,) - verici anten radyasyon modelinin işlevi; F "(", ") - anten yönlü model işlevi alma.

Bu formülden, antenlerin birbirine doğru yönlendirilmiş olması koşuluyla maksimum radyo iletişim mesafesini elde edebilirsiniz,

burada P n.min alıcı hassasiyetidir, bizim durumumuzda P n.min = 10-10 W (-70 dBm).

Formül (4)'e verici gücü P = 10-3 W, G m = 0,5, A eff.m = 25 · 10 -6 (5 x 5 mm) koyarak, r m = 3 m elde ederiz.

Bu değer kabaca Bluetooth sisteminin gereksinimlerine karşılık gelir ve geri kalan özellikler alıcı-verici çip standardı tarafından belirlendiğinden, anten geometrisini hesaplamak için bir başlangıç ​​noktası olarak hizmet edebilir.

Bluetooth Antenleri (üreticilere ve çözümlere genel bakış)

Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion ve diğerleri gibi birçok firma, hücresel telefonda kullanılan ve iyi RF özelliklerine sahip seramik malzemeler kullanan Bluetooth sistemleri için özel olarak tasarlanmış çok çeşitli antenler üretiyor.

Hitachi Metals, Bluetooth uygulamaları için çok uygun olan "E-Tipi Elektrot Konfigürasyonu" antenlerini (Şekil 4) piyasaya sürdü. Yeni anten için gereken alan çok küçüktür (15x3x2mm), çevresel parçaların konumuna duyarlı değildir, Bluetooth için yüksek performanslı kristal anten olarak yapılabilir, kullanımı kolaydır.

Şekil 4. Bluetooth için Hitachi Metals anteninin görünümü

Antek Kablosuz A.Ş. neredeyse tüm proje özelliklerini aşan, minyatürleştirilmiş ve hemen hemen her cihaza kurulabilen dahiyane bir tasarıma sahip yeni bir 2.4GHz anten geliştirdi. Anten, kablosuz video iletimi, ses ekipmanı, kulaklıklar, modemler, mobil bilgisayarlar, taşınabilir telefonlar ve Bluetooth, IEEE 802.11 ve HomeRF protokollerini kullanan diğer el cihazları gibi çeşitli uygulamalar için uygundur.

Centurion International, Bluetooth teknolojisini kullanan dizüstü bilgisayarlarda kullanım için dahili bir PIFA anteni veya düz anten varyasyonları geliştirmiştir. Yeni anten, bilgisayar üreticilerinin, taşınabilir telefonlar ve mesajlaşma sistemleriyle kolayca iletişim kuran ve yüksek veri hızlarında İnternet'e bağlanan taşınabilir cihazlar geliştirmelerini sağlar.

Murata İmalat A.Ş. Bluetooth teknolojisini kullanan dizüstü bilgisayarlar için yerleşik dielektrik antenler üretmeye ve satmaya başladı (Şekil 5). Yeni G2 serisinin modül boyutları 15x5,8x7,0 mm'dir.

Şekil 5. Çip anten ANCG22G41 Murata

Miyazaki Matsushita Elektrik Sanayi A.Ş. Ltd. Bluetooth cihazları için ultra kompakt bir anten başlatır. Anten seramik bir taban üzerine yapılmıştır ve 5x1.2x1.2 mm ölçülerindedir. Bluetooth endüstrisindeki en küçük antendir. Anten özellikleri aşağıdaki gibidir: çalışma frekansı 2.4 GHz, kazanç -2 dBi, voltaj duran dalga oranı (VSWR) 2.0.

Şekil 6. Cep telefonu kılıfındaki seramik anten (fotoğraf)

TDK A.Ş. Bluetooth teknolojisine dayalı ürünlerde kullanılmak üzere iki küçük yarım dalga anteni (7 x 7 mm) üretmektedir. CANPB0715 anteninin kazancı -5 dBi'dir ve CANPB0716 anteninin kazancı 3 dBi'dir. Diğer küçük antenlerin çoğu çeyrek dalga boylu antenlerdir. Kullanımları yalnızca, cihaz kasasına topraklamanın yapıldığı dizüstü bilgisayarlar gibi daha büyük mobil cihazlarda mümkündür. Cep telefonları için yarım dalga antenlerin geliştirilmesi gerekiyordu.

Şekil 7. Metalize bir cep telefonu kasasındaki Bluetooth anteninin 3 boyutlu görünümü (HFSS'de çizim)

E tipi anten yapılandırması

Önceden, antenlerin iki temel konfigürasyonu vardı: F tipi dengesiz ters anten ve düz anten.

Tersine çevrilmiş bir F anteninin bir tarafı açık ve diğer tarafı boyutu azaltmak için topraklanmıştır, ancak açık taraf toprak elektrotundan etkilenir. Bu nedenle, belirli bir uzayda anten özelliklerini gerçekleştirmek için geniş bir alan gereklidir ve çevresel bileşenlerin düzenini tasarlarken dikkatli olunmalıdır.

Ek olarak, düz anten oldukça hassastır (yüksek kazanç) ve güçlü yön özelliklerine sahiptir, bu da onu çok yönlülüğün gerekli olduğu Bluetooth uygulamaları için uygun hale getirmez.

Hitachi Metals tarafından geliştirilen anten tipi, F tipi ters antenin benzersiz avantajlarına sahiptir, ancak her iki tarafta topraklama elektrotları içerir ve bir merkez, konik elektrot ekler. Başka bir deyişle, Hitachi Metals tarafından icat edilen yeni E-Tipi Elektrot konfigürasyonu daha da küçültülebilir ve yakındaki toprak elektrotlarını önemli ölçüde etkilemez. Anten ne kadar küçükse, durum parametrelerini o kadar az etkiler.

Yukarıda verilen Bluetooth sistemi için tüm anten tasarımlarının analizi, böyle bir antene sahip bir cep telefonu tasarlamak için bir yöntem seçebileceğiniz, anten spesifikasyonunda yer alan ana anten parametrelerini seçmenize olanak tanır.

Bluetooth anten özellikleri:

• çalışma frekans bandı: 2400 ... 2500 MHz;
• ortalama kazanç: -3 dBi;
• giriş empedansı: 50 Ohm;
• VSWR: 3 veya daha az.

Bir anten sistemi tasarlama sürecinde gereklidir:

• filtre girişi ve mikroşerit anten besleme noktası arasındaki eşleştirme yapısını hesaplamak;
• zemin yüzeyini optimize edin (bazen karşı ağırlık olarak adlandırılır), yani telefon kılıfının iç yüzeyinin iletken alanlarla en uygun şekilde doldurulmasını bulun. Günümüzde, bu genellikle muhafazanın tek tek parçalarını iletken boya ile boyayarak yapılır.

Anten tasarımının amacı, gerekli ışıma modelini (DP) ve çalışma frekansı bandında iyi eşleşmeyi elde etmektir.

Düzlemsel bir antenin genelleştirilmiş yapısının analizi

Bluetooth sistemi için mevcut antenlerin gözden geçirilmesinden, bunların üç boyutlu bir alt tabakanın bir veya daha fazla tarafına yerleştirilmiş, çoğunlukla yüksek geçirgenliğe sahip seramik olan karmaşık konfigürasyonlu metal şekillere sahip oldukları görülebilir (Şekil 8). Dolayısıyla bu formların her birinin bir rezonatör olduğunu söyleyebiliriz. Antenin boyutunun çalışma frekansı ile ilgili olduğu bilinmektedir. Antenin uzun kenar boyunca rezonansa girdiğini varsayarsak, anten uzunluğu aşağıdaki basit formül kullanılarak tahmin edilebilir:

burada f r verilen rezonans frekansıdır; substrat malzemesinin nispi dielektrik sabitidir. Bu formül, anten alt tabakasının genişliğinin ve alt tabakanın kalınlığının rezonans frekansı üzerindeki etkisini hesaba katmaz, ancak bu etki genellikle ihmal edilebilir. Formül (1), antenin üst iletkeni ile toprak düzlemi arasındaki boşlukta oluşan yarım dalga rezonatörü olarak basılı antenin (Şekil 9) fiziksel yapısını yansıtır. Örneğin, (1)'den f r = 2.5 GHz ve = 34 (seramik) frekansında A ~ = 10,3 mm'ye sahibiz.

Şekil 8. AutoCAD'deki YCE-5207 Bluetooth anteninin geometrisi

Şekil 9. AutoCAD'de tasarlanan Bluetooth anteni (üstten görünüm)

Antenin bir ucu topraklanmışsa, anten uzunluğu en az yarıya inebilir (aynı frekansta çalışırken). Bu durumda, bir ucu topraklanmış ve diğeri açık (boşta) olan çeyrek dalga rezonatörü olan ters çevrilmiş F-anteni (PIFA) elde edersiniz. PIFA (Şekil 3), anten giriş empedansının 50 ohm'a yakın olduğu noktada koaksiyel hat tarafından sürülür. Böylece, PIFA'nın uzunluğu kabaca şu şekilde tahmin edilebilir:

Aynı frekansa ayarlanmış bir anten için f r = 2.5 GHz ve = 34, zaten önceki duruma göre çok daha az yer kaplayan ~ = 5.1 mm elde ederiz. Rezonatörün açık ucunda yoğunlaşan yakın alan etkisi nedeniyle antenin gerçek boyutu daha da küçük olabilir.

E-anteninin boyutu, her iki tarafa da sarıldığı için kabaca şu şekilde tahmin edilebilir:

Bluetooth sistemi için antenler karmaşık bir yarı kapalı ekranda olduğundan, anten sisteminin özellikleri teorik formüller kullanılarak hesaplanan özelliklerden önemli ölçüde farklı olabilir. Bu durumda, anten parametreleri (iletkenlerin boyutları ve aralarındaki yükseklik mesafesi) aşağıdakilerden biri kullanılarak optimize edilebilir. yazılım paketleri elektromanyetik yapıların modellenmesi (Şekil 10).

Şekil 10. Cep telefonunda yakın alan (HFSS programı alanında)

PIFA anteninin küçük boyutunun avantajının, emisyonundaki azalma (yalnızca bir kenar yayar) nedeniyle elde edildiğini, ayrıca PIFA antenlerinin genellikle dar bantlı olduğunu unutmayın.

Düzlemsel Anten Tasarımı için Sayısal Yöntemler

Antenler, tüm radyo iletişim sistemlerinin ana bileşenleridir ve taşıma ortamı olarak boş alanı kullanır. Boş alanda bir verici veya alıcıyı arayüzlemek için kullanılırlar.

Antenler bir dizi önemli parametreler Bunlardan en ilginci kazanç, radyasyon modeli, bant genişliği ve polarizasyondur.

Cep telefonu antenlerinin modern tasarımı (Şekil 11), taslak hesaplamaları ve sezgisel değerlendirmeler temelinde elde edilen sonuçların ilk veri olarak kullanılmasıyla elektromanyetik fenomenlerin bir bilgisayarda modellenmesine dayanmaktadır.

Şekil 11. Cep telefonu kılıfındaki Bluetooth anteninin görünümü

Bir model oluştururken, geometrinin çalışma sırasında antenin gerçek konumuna uygun olması, yani gövdenin dikey konumda (veya hafif bir açıda) olması gerektiği unutulmamalıdır. Bu durumda, düz anten "kenarda" konumundadır.

Minyatür Seramik Antenlerin Özellikleri

Seramik anten, yüksek dielektrik sabiti olan bir substrat üzerinde yapılır. Yüksek geçirgenlikli malzeme de yüksek kayıplara sahiptir.

Bu nedenle, bu tür antenlerin hesaplanması, temel olarak seramikteki kayıpları hesaba katan programlar kullanılarak yapılmalıdır. Böyle bir program HFSS programıdır.

Bir cep telefonu tüpünün tasarımında düz bir anteni başarılı bir şekilde kurmak için, anten sisteminin özelliklerinin telefonun tasarımının belirli unsurlarına bağımlılığını gösterecek hesaplamalı çalışmaların yapılması gerekmektedir.

Mikroşerit antenlerin aşağıdaki özelliklerine dikkat edin:

• mikroşerit antenler spiral antenlerden daha dardır;
• Mikroşerit antenler, sarmal antenlerin ağırlıklı olarak dikey polarizasyonuna kıyasla dairesel polarizasyona kolayca ulaşır;
• mikroşerit antenler, dikey eksen etrafındaki asimetrilerinden dolayı, azimut düzleminde spiral ve dipol antenlere göre daha düzensiz bir radyasyon modeline sahiptir.

Daha önce belirtildiği gibi, bir seramik anten, her bir tarafının yüzeyinde belirli bir şekle sahip metal iletkenlerin uygulandığı 3B bir yapıdır. Bu tasarım bir veya daha fazla uyarma noktasına sahip olabilir. Bu noktalarda antene, yapıda radyasyon akımlarını indükleyen uyarıcı bir voltaj uygulanır. Uyarma noktaları bir balun ile bağlanabilir.

Uyarı noktalarına ek olarak, basılı anten üzerinde toprak noktaları (yer düzlemine bağlantılar) olabilir. Bu karmaşık tasarımda indüklenen akımlar, ışıma modelini oluşturur ve antenle iletişim kurmak için gerekli olan diğer anten özelliklerini uygular. kişisel bilgisayar veya başka bir cihaz.

Elektrodinamik hesaplamanın bir sonucu olarak, sistemdeki akımların dağılımını belirlemek mümkün olduğundan, analizleri antenin yükseltilmesi için bir temel oluşturabilir.

Bir anten tasarlama sürecinde, her şeyden önce, 50 Ohm'a yakın bir giriş empedansı elde etmek gerekir, çünkü bu durumda anteni düşük gürültülü bir giriş amplifikatörü ve bir güç amplifikatörü ile eşleştirmek mümkün olacaktır. Daha az kayıpla iletim yolu.

Örneğin, antenin geri dönüş kaybının değeri (parametre 20 log | S 11 |) -20 dB mertebesindeyse, bu, çalışma frekansı aralığında antenin çevreleyen alanla iyi bir uyumla çalışacağını gösterir. . -20 dB'lik bir değer, jeneratör gücünün, sırayla boş alanla yüklenen anten tarafından neredeyse yansıma olmadan emileceğini gösterir. Anten, güç amplifikatörünün çıkışı (veya düşük gürültülü bir amplifikatörün girişi) ile boş alan arasındaki bir transformatördür, dalga empedansı uzak bölgedeki bir düzlem dalga için 377 ohm'a eşit olarak kabul edilebilir.

Bir sonraki gereksinim, antenin farklı yönlerde yayılma yeteneğini belirleyen radyasyon özellikleridir. Antenleri tasarlarken ve hesaplarken, genellikle radyasyon modelinin karşılıklı olarak dik iki düzlemdeki enine kesitleriyle ilgilenirler: azimut ve yükseklik. Azimut deseni, antenin yatay düzlemde yayılma yeteneğini ve dikey düzlemde yükseklik desenini belirler. Her ikisi de bir cep telefonu için önemlidir, ancak ilki çok yönlülüğü belirler ve çalışma koşullarında radyasyonu değerlendirmek için daha karakteristiktir. Basılı antenin yönlülük parametreleri veya modifikasyonları, mevcut spiral kamçı antenlerinkinden daha kötü olmamalıdır.

Bluetooth anteninin radyasyon özelliklerinin hesaplanması

Tablo, belirli bir tasarımın tam geometrik boyutlarını kullanarak bir yuvadaki bir anteni modellemenin sonuçlarını göstermektedir. Hesaplanan yapının parametrelerinin ölçülen eşleştirme parametrelerinden önemli ölçüde farklı olduğu tablodan görülebilir (Şekil 16). Bu nedenle, bu farklılıkların nedenlerini analiz edeceğiz.

Tablo. Alt tabaka kaybının yokluğunda anten ışıma gücü, yönlülük, kazanç ve büyüklük (dielektrik sabiti = 0). Jeneratörün girişteki (port) nominal gücü 1 W

F Frekans	P dışarı Yayılan güç, hesaplama, W (radyasyon düzlemi boyunca hesaplanan güçlerin toplamı)	D Yönlülük, dB (HFSS'de hesaplanmıştır)	G Kazancı, dB = P rad / P nom	S 11 HFSS yerleşimi	20 günlük 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

Hesaplanan ve gerçek tasarım arasındaki en büyük temel fark, alt tabakanın parametrelerinde yatmaktadır. Bu nedenle, tabloda verilen hesaplama verileri, seramik substratta kayıpların olmadığı ideal duruma karşılık gelir. Bu idealleştirilmiş durumda, tablo parametreleri arasındaki bağlantıyı kayıpsız bulacağız.

Prad, tüm radyasyon sınırı boyunca HFSS programı tarafından hesaplanır. Uzak alanın sınırını ifade eden duvarlardan geçen tüm güç toplanır ve bu P rad'ı verir.

Alt tabaka ve iletkenler kayıpsızsa, antene gelen tüm güç yayılır, yani P rad. = P ant ve antene gelen ve daha sonra yayılan bu güç, sırayla, uyumsuzluk tarafından belirlenir:

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

burada P nom, jeneratörün nominal gücüdür. HFSS'ye göre 1 W olarak ayarlanmıştır.

Tabloya göre 2 GHz frekansında, (7)'den

P ant = 1 (1 - | 0.96 | ²) = 0.07W,

bu, tablodaki hesaplanan P rad değerine karşılık gelir.

Anten kazancı tanım gereği eşittir

(7)'yi (8) yerine koyarsak, logaritmik ölçekte şunu elde ederiz:

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

2 GHz frekansı için anten kazancımız var

G = 10lg (1 - | 0.96 | ²) + 3.47 = -7.8 dB.

Böylece, alt tabakada kayıp olmayan durum için anten parametrelerinin ilişkisini gösterdik.

(7)'yi aşağıdaki gibi yeniden yazalım:

HFSS hesaplamasını incelediğimizde 2 GHz ve diğer frekanslarda anten kazancının zayıf olduğunu ve en önemlisi anten uyumsuzluğu olduğunu görüyoruz (Şekil 12). Ancak deney, eşleşen devreleri açmadan bile antenin kazancının çok daha yüksek olduğunu göstermektedir. Sorun ne? Garip bir şekilde, seramik alt tabakadaki kayıpların varlığının, boyutları dalga boyu ile orantılı olan geleneksel bir antene kıyasla, anteni eşleştirmeye ve küçük bir antenin performansını artırmaya yardımcı olduğu ortaya çıktı. Gerçekten de, HFSS hesaplama yöntemini kullanarak kayıpları tg = 0,1 (elbette, gerçekçi olmayan bir şekilde büyük) değerine yükselterek, Şekil 2'de gösterilen eşleşen bağımlılıkları elde ederiz. 13.

Şekil 12. Seramik parametreli Bluetooth anteninin frekans yanıtı = 34, tg = 0 (kayıp yok). Şekilden anlaşmanın yetersiz olduğu görülmektedir.

Şekil 13. Seramik parametreli Bluetooth anteninin frekans yanıtı = 34, tg = 0.1 (2 GHz frekansında)

Antenin verimini kayıpların bir fonksiyonu olarak araştırmak için, yuvadaki antenin özelliklerinin seramikteki kayıplara bağımlılığını hesaplayalım. Seramiklerde kayıplar var ve hesaplamalar gösteriyor ki kayıp olmadığını varsayarsak antenin eşleşmesi zayıf, kayıp varsa eşleşme düzeliyor.

Güç P radyasyonu, program tarafından tüm radyasyon sınırlarına gelen güçlerin toplamı olarak sayısal olarak hesaplanır. Bu güç, jeneratörün nominal gücünden daha azdır ve bunun sadece bir parçasıdır.

Bu durumda kayıplarımız olduğundan, kayıpsız durum, formül (7) ve P rad değeri arasındaki güç farkı olarak tanımlanırlar. P rad = P ant eşitliği artık geçerli değil, bu güçler alt tabakadaki güç kayıplarına göre farklılık gösteriyor:

P rad = P ant - P emilim. (on bir)

(11) formülüne (8) koyarak, seramikteki kayıpları hesaba katan anten kazancının formülle bulunduğunu buluyoruz.

olarak temsil edilebilir

| S 11 | ² = 1 - Ktg - G / D, (13)

burada K * tg = P absorpsiyon / P nom, genel durumda K 1'e eşit değildir.

(13)'ten, artan kayıplarla |S 11 | ²'nin azaldığı görülebilir ve kayıplı seramik durumunda anten ile eşleşmenin neden daha kolay elde edildiği anlaşılabilir.

Şekil 14. Bluetooth anten sisteminin açılı radyasyon modeli

Şekil 15. Bluetooth anten sistemli bir cep telefonunun azimut şekli

Hesaplamalar, kullanıcının vücudunun küçük bir antenin radyasyon modeli üzerindeki etkisinin, bir cep telefonunun ana anteninin anten modeli üzerindeki etkisinden çok daha az olduğunu göstermektedir. Bluetooth anteninin yayılan gücünün insan vücudu üzerindeki ters etkisi için de aynı şey söylenebilir.

Düzlemsel bir antenin deneysel çalışması

Antenin deneysel ayarı, eşleştirme kriterine göre ve DP kriterine göre yapılabilir. İncirde. Şekil 16, bir Smith grafiğinde çizilen S11'in ölçülen frekans tepkisini gösterir.

Şekil 16. Ağ analizöründe ölçülen muhafazadaki antenin giriş empedansı

Bu deneysel ölçümler bir HP8632 devre ölçer ile yapılmıştır.

Anten bir ekranla ekranlandığında anten sisteminin rezonans frekansının yer değiştirmesinin deneysel bir ölçümü, anten yuvaya yerleştirildiğinde rezonans frekansının kaymasının 50 MHz olduğunu gösterdi.

Çözüm

Makale, kablosuz yerel iletişim için tasarlanmış Bluetooth sisteminde bir mikroşerit anten modellemenin özelliklerini tartışıyor. Bir cep telefonunda Bluetooth sistemi olarak kabul edildi. ana özellik anten sisteminin çalışması - antenin oldukça metalize bir durumda, yani büyük bir karşı ağırlıkla çalışması. Bu nedenle antenin kasa yüzeyinde indüklediği akımları hesaplamak için analiz programını 3 boyutlu gösterimde kullanmak gerekir. Böyle bir program HFSS'dir. Bu durumda, antenin diğer muhafaza elemanları ile birlikte modellenmesi, tüm anten ve tüp tasarım sürecinin önemli bir parçasını oluşturur.

Modelleme işleminin özellikleri, oldukça karmaşık şekillerde yüksek bir dielektrik sabiti ile seramik üzerinde bir dikdörtgen metal platform ve bir mikro şerit hattının bir kombinasyonu ile temsil edilen Yocowo'dan YCE-5207 yama anteninin örneklerinde gösterilmiştir. Belirli bir analizin sonuçları şu şekilde sunulur: frekans özellikleri yansıma katsayısı, kasadaki akımlar, yakın alan ve DN. Tüp gövdesi elemanlarının uzak bölgedeki radyasyon paterni üzerindeki etkisi gösterilmektedir. Hem harici hem de dahili anten montaj seçenekleri değerlendirilir.

Edebiyat

1. Jennifer Bray, Charles Sturman. Bluetooth: kablo olmadan bağlanın. Prentice-Hall, 2001,495 s.
2. Balanis C.A. Anten Teorisi: Analiz ve Tasarım, Wiley & Sons. 2. Baskı. 1997.
3. Fujimoto K. ve James J.R. (editörler). Mobil Anten Sistemleri El Kitabı. 2. Baskı. Artech Evi. 2001.710 s.
4. Kessenikh V., Ivanov E., Kondrashov Z. Bluetooth: Yapım ve işleyiş ilkeleri // Chip News. 2001. No. 7. S. 54–56.
5. Kalinichev V., Kurushin A. Cep telefonları için mikroşerit antenler // Chip News. 2001. No. 7. S. 6–12.

Kablosuz cihazlar çok kullanışlıdır - artık kablolar için endişelenmenize gerek yoktur, ancak "havadan" iletişimin yarıçap üzerinde belirli sınırlamaları olduğunu açıkça anlamalısınız. Ayrıca, örneğin bilgisayarınız için satın aldığınız bir Bluetooth adaptörü ne kadar ucuzsa, sabit bir bağlantı elde etmek için o kadar az uzaklaşabilirsiniz. Elbette bazı pahalı cihazlar her zaman iyi sonuçlar vermiyor. Bugün Bluetooth sinyalinin nasıl yükseltileceğinden ve ne kadar gerçekçi olduğundan bahsedeceğiz.

Genel bilgi

Makale, adaptörün sökülmesini, parçalarını değiştirmeyi veya lehimleme ile değiştirmeyi içeren ve herkes için uygun olmayabilecek bazı yöntemleri açıklamaktadır. Elektronik bilginiz yoksa, havya kullanımında çok çevik değilseniz veya cihazınız garanti kapsamındaysa lütfen bu yöntemlerden kaçının.

Adaptörün tamamlanması

Bluetooth hızını artırmanın en basit, ancak en etkili olmayan yöntemi, adaptöre, yayılmasını 360 derece yükseltmek yerine sinyali belirli bir yöne yönlendirecek bir reflektör eklemektir.

Böyle bir reflektörü teneke bira kutusundan üstünü keserek ve birkaç yuva daha açarak yapmayı deneyebilirsiniz: yukarıdan aşağıya ve sonra hafifçe yanlara, sanki kutunun altını hafifçe ayırıyormuş gibi.

Bluetooth adaptörü merkezde istediğiniz yere takılır ve USB adaptörü ile bilgisayara bağlanır.

Üzerine folyo yapıştırılmış kartondan benzer bir şey yapılabilir.

İşe yarayabilecek başka bir seçenek de kutunun sadece üst kısmını kesmek, ardından kutunun altına daha yakın gövde için bir yuva açmak ve adaptörü anten tarafıyla içeriye doğru yerleştirmek. Daha sonra yine uygun bir yöntemle tamir edip uzatma kablosu ile bağlıyoruz.

Değişiklikler

Ve şimdi bağdaştırıcının kendisinin fiziksel olarak değiştirilmesini ima eden yöntemler hakkında konuşacağız. Daha ucuz olanlarda, aslında onların sorunu olan harici bir anten bulamazsınız.

Böyle bir fırsat varsa davayı açıyoruz ve tahtaya lehimlenmiş bir SMD anteni arıyoruz - parçayı aşırı ısıtmadan sadece çok dikkatli bir şekilde buharlaştırmanız gerekecek.

Ardından, gereksiz her şeyi çıkarmadan önce SMA konektörünü anten yerine lehimliyoruz: antenin vidalandığı kısma dokunmuyoruz, ancak diğer ucunda kenarı kesiyoruz, ekranı ve damarları ayırıyoruz , temizleyin, tamir edin ve lehimleyin.

Neyi nereye lehimleyeceğiniz konusunda herhangi bir şüpheniz varsa, radyo amatörlerinin forumlarına başvurmak en iyisidir.

Şimdi yaptığımız şeye eski Wi-Fi'den güvenle bükülebilen bir anten bağladık.

Halihazırda harici antenli daha pahalı bir cihazınız varsa, ancak hala sinyalden memnun değilseniz, Hiper kazançlı anten durumu kurtarabilir - satın alın, bağlantı için adaptörü kesin ve ekranı çekirdekten ayırın.