приймач Bluetooth

Прі╦мопередатчік Bluetooth може бути розділений на три функціональних блоки ( Мал. 3 ). Радіоблок містить перетворювачі вгору і вниз по ВЧ, ПЧ з смугою модулюючих частот, фільтр каналу, модулятор / демодулятор і синтезатор частот.

Розрахунок динамічного діапазону приймача Bluetooth

Верхню межу динамічного діапазону можна оцінити по рівню продукту інтермодуляционних спотворень 3-го порядку, якщо вважати, що на вході діють 2 сигналу з частотами двох сусідніх каналів.

Два сигналу з частотами f0 + f і f0 + 2 f виробляють продукт інтермодуляционних спотворень третього порядку PIM3 в розглянутому радіоканалі з частотою f0. Рівень потужності продукту PIM3 залежить від вхідного сигналу интерферирующей потужності Pin і нелінійного параметра за все прі╦мніка - точки перетину третього порядку IP3 - і дорівнює:

PIM3 = 3Pin - 2IP3 [дБ]. (2)

Вільний від спотворень динамічний діапазон визначається з умови, що спотворення лінійного та нелінійного походження однаково впливають на спотворення в демодуляторе і однаково погіршують виявлення власного сигналу. Значить, щоб BER не перевищив те ж саме значення 0,1%, яке задавалося при визначенні чутливості, потрібно, щоб потужність прийнятого сигналу була на 3 дБ вище рівня шумів (що відповідає чутливості прі╦мніка Рмін). Тому було отримано IP3 = -16 дБм в вираженні (2), за умови, що продукт інтермодуляції PIM3 дорівнює чутливості прі╦мніка, два интерферирующих сигналу мають потужності 0 дБм, і інтерференція присутній на відстані в 1 м.

Об'єднуючи значення IP3 = -16 дБм з чутливістю прі╦мніка Рмін = -70 дБм, з (1) і (2) отримуємо, що вільний від спотворень динамічний діапазон (SFDR) прі╦мніка Bluetooth має дорівнювати

SFDR = 2/3 (IP3 - (Рмін + 3 дБ)) = 50 дБ. (3)

Блок передавача також досить простий. Двійкова GFSK-модуляція отримана прямою модуляцією ЧМ-гетеродина. Додаткові фазові перетворення з підвищенням частоти тому не потрібні. Модулюючий сигнал фільтрується гаусовим фільтром, так щоб зберегти ширину спектра 1 МГц, як потрібно для FM-систем, що працюють в смузі ISM на частоті 2,45 ГГц. Модуляція з гаусом обвідної не пред'являє високих вимог до лінійності вихідного каскаду передавача, тут можуть використовуватися економічні підсилювачі класу С.

Потужність радіосигналу Bluetooth близько 0 дБм (допускається використовувати максимальну потужність до 20 дБм). Для рівнів потужності, що перевищують 0 дБм, застосовується регулювання потужності по замкнутому контуру.

Розрахунок дальності роботи стільникового телефону в системі Bluetooth

Відомо, що потужність радіосигналу в точці прі╦ма Pn дорівнює:

де Р - яку випромінює передавачем потужність; Gm - максимальний коефіцієнт посилення передавальної антени; Aефф.м - максимальна ефективна площа прі╦мной антени (пропорційна геометричній площі антени); F ( , ) - функція діаграми спрямованості передавальної антени; F '( ', ') - функція діаграми спрямованості прі╦мной антени.

З цієї формули можна отримати максимальну дальність радіозв'язку за умови, що антени спрямовані один на одного,

(4)

де Pn.min - чутливість прі╦мніка, в нашому випадку Pn.min = 10-10 Вт (-70 дБм).

Підставивши в формулу (4) потужність передавача P = 10-3 Вт, Gm = 0,5, Aефф.м = 25╥10-6 (5 на 5 мм), отримуємо rm = 3 м.

Це значення приблизно відповідає вимогам системи Bluetooth, і може послужити відправною точкою расч╦та геометрії антени, оскільки інші характеристики визначаються стандартом на мікросхему прі╦мопередатчіка.

Антени для Bluetooth (огляд виробників і рішень)

Кілька фірм, такі як Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion та інші, вже виробляють широкий набір антен, які застосовуються в стільникової телефонії та спеціально призначені для систем Bluetooth, використовуючи керамічні матеріали з хорошими високочастотними властивостями.

Фірма Hitachi Metals випустила антени типу "E-Type Electrode Configuration" ( Мал. 4 ), Добре підходять для додатків Bluetooth. Місце, необхідну для нової антени, дуже маленьке (15x3x2 мм), вона не чутлива до розташування периферійних частин, може бути виконана у вигляді високоефективної антени-кристала для Bluetooth, проста у використанні.

Конфігурація антени E-типу

Раніше антени мали дві основні конфігурації: зворотний несиметричну антену F-типу і плоску антену.

Перев╦рнутая F-антена має одну сторону відкриту, а іншу - заземл╦нную, що зроблено для скорочення розміру, але відкрита сторона підпорядкована впливу заземляющего електрода. Тому потрібна велика область, щоб реалізувати антенні властивості в заданому просторі, і необхідна обережність при проектуванні розташування периферійних компонентів.

Крім того, плоска антена високо чутлива (висока посилення) і має сильні спрямовані властивості, роблячи е╦ невідповідний для додатків Bluetooth, де необхідна всеспрямованість.

Тип антени, розроблений Hitachi Metals, має унікальні переваги зворотного антени F-типу, але включає заземлюючі електроди з обох сторін і додається центральний, конусоподібний електрод. Іншими словами, нова конфігурація E-Type Electrode, ізобрет╦нная в Hitachi Metals, може бути ещ╦ більш миниатюризировать, і істотно не впливає на прилеглі заземлюючі електроди. Чим менше антена, тим менше корпус впливає на е╦ параметри.

Аналіз всіх конструкцій антен для системи Bluetooth, прівед╦нних вище, дозволяє виділити основні антенні параметри, що входять в специфікацію антени, на підставі чого можна вибирати метод проектування стільникового телефону з такою антеною.

Технічні вимоги на антену системи Bluetooth:

• робоча смуга частот: 2400┘2500 МГц;
• середнє посилення: -3 dBi;
• вхідний опір: 50 Ом;
• VSWR: 3 або менше.

В процесі проектування антеною системи необхідно:

• розрахувати погоджує структуру між входом фільтра і точкою харчування мікрополоскової антени;
• оптимізувати земляну поверхню (іноді звану противагою), тобто знайти оптимальне заповнення внутрішньої поверхні корпусу телефону проводять ділянками. В даний час це часто реалізується закраской окремих частин корпусу проводить фарбою.

Метою проектування антени є отримання необхідної діаграми спрямованості (ДН) і гарне узгодження в робочій смузі частот.

Аналіз узагальненої Структури планарной антени

З огляду існуючих антен для системи Bluetooth видно, що вони мають металеві форми складної конфігурації, напил╦нние на одній або декількох сторонах тр╦хмерной підкладки, найчастіше керамічної з великою проникністю ( Мал. 8 ). Тому можна сказати, що кожна з цих форм є резонатором. Відомо, що розміри антени пов'язані з робочою частотою. Якщо вважати, що антена резонує по довшій стороні, то довжину антени можна оцінити за такою простою формулою [1]:

(5)

де fr - задана резонансна частота; - відносна діелектрична проникність матеріалу підкладки. Ця формула не бере до уваги впливу ширини підкладки антени і товщини підкладки на резонансну частоту, але цей вплив зазвичай незначно. Формула (1) відображає фізичну природу друкованої антени ( Мал. 9 ) Як півхвильового резонатора, який сформований в просторі між верхнім провідником і земляний платою антени. Наприклад, на частоті fr = 2,5 ГГц і = 34 (кераміка) з (1) маємо A ~ = 10,3 мм.

Чисельні методи проектування планарних антен

Антени - основні складові всіх систем радіозв'язку і використовують вільний простір як середовище переносу. Вони використовуються, щоб зв'язати за допомогою інтерфейсу передавач або прі╦мнік у вільному просторі.

Антени мають ряд важливих параметрів, найбільший інтерес з яких мають посилення, діаграма спрямованості випромінювання, ширина діапазону і поляризація.

Сучасне проектування антен стільникових телефонів ( Мал. 11 ) Засновано на моделюванні електромагнітних явищ на комп'ютері, використовуючи в якості початкових даних результати, отримані на основі ескізних расч╦тов і евристичних міркувань.

Особливості мініатюрних керамічних антен

Керамічна антена виготовлена ​​на підкладці з високою діелектричної проникністю. Матеріал з високою проникністю володіє також великими втратами.

Тому расч╦т таких антен необхідно вести за допомогою програм, які принципово враховують втрати в кераміці. Такою програмою є програма HFSS.

Для того щоб успішно встановити плоску антену в конструкцію трубки стільникового телефону, потрібно провести расч╦тние дослідження, які показали б залежність характеристик антеною системи від тих чи інших елементів конструкцій телефону.

Відзначимо наступні особливості мікросмужкових антен:

• мікрополоскових антени більш вузькосмугові, в порівнянні зі спіральними;
• мікрополоскових антени легко реалізують кругову поляризацію, в порівнянні з переважно вертикальною поляризацією у спіральних антен;
• мікрополоскових антени мають більш нерівномірне діаграму випромінювання в азимутальной площині, ніж спіральні і вібраторні, в силу своєї несиметричності щодо вертикальної осі.

Як уже зазначалося, керамічна антена - 3D-структура, на поверхні кожної сторони якої нанесені металеві провідники определ╦нной форми. Дана конструкція може мати одну або кілька точок збудження. У ці точки на антену пода╦тся збудливу напруга, яке наводить у структурі струми випромінювання. Точки збудження можуть бути пов'язані симетрувальним трансформатором (Балун).

Крім точок збудження, на друкованої антени можуть бути точки заземлення (приєднання до заземлювальної площині). Токи, навед╦нние в цій складній конструкції, формують діаграму спрямованості і реалізують інші характеристики антени, необхідні для встановлення зв'язку з персональним комп'ютером або іншим приладом.

Оскільки в результаті електродинамічного расч╦та уда╦тся визначити розподіл струмів в системі, то їх аналіз може послужити основою для модернізації антени.

В процесі проектування антени необхідно, перш за все, отримати вхідний опір, близьке до 50 Ом, оскільки в цьому випадку можна буде з меншими втратами узгодити антену з малошумливим вхідним підсилювачем і підсилювачем потужності передавального тракту.

Наприклад, якщо величина зворотних втрат антени (параметр 20 log | S11 |), порядку -20 дБ, це говорить про те, що в робочому діапазоні частот антена буде працювати з хорошим узгодженням з навколишнім простором. Величина -20 дБ показує, що потужність генератора буде майже без відображення поглинатися антеною, яка в свою чергу навантажена вільним простором. Антена є трансформатор між виходом підсилювача потужності (або входом малошумящего підсилювача) і вільним простором, хвильовий опір якого для плоскої хвилі в дальній зоні можна вважати рівним 377 Ом.

Наступна вимога - характеристики випромінювання, які визначають здатність антени випромінювати в різних напрямках. При проектуванні і расч╦те антени зазвичай цікавляться перетинами діаграми спрямованості в двох взаємно площинах: азимутальной і угломестной. Азимутна ДН визначає здатність антени випромінювати в горизонтальній площині, угломестная ДН - у вертикальній. І та і інша ДН важливі для стільникового телефону, але перша визначає всеспрямованість, і вона більш характерна для оцінки випромінювання в умовах експлуатації. Параметри спрямованості друкованої антени або е╦ модифікацій повинні бути не гірше, ніж у існуючих спірально-штирьових антен.

Розрахунок характеристик випромінювання антени Bluetooth

У таблиці представлені результати моделювання антени в корпусі з використанням точних геометричних розмірів конкретної конструкції. З таблиці видно, що параметри розрахованої конструкції значно відрізняються від виміряних параметрів узгодження ( Мал. 16 ). Тому провед╦м аналіз причин цих відмінностей.

. (8)

Підставляючи (7) в (8), одержуємо, в логарифмічному масштабі,

G [dB] = 10lg (1 √ | S11 | ²) + D [dB]. (9)

Для частоти 2 ГГц маємо посилення антени

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

Отже, ми показали зв'язок параметрів антени для випадку без втрат в підкладці.

Перепишемо (7) в наступному вигляді:

| S11 | ² = 1 √ G / D. (10)

Аналізуючи расч╦т HFSS, бачимо, що на частоті 2 ГГц і на інших частотах посилення антени погане, і, головне, має місце неузгодженість антени ( Мал. 12 ). Експеримент показує однак, що посилення антени значно вище, навіть без включення узгоджувальних ланцюгів. У ч╦м ж справа? Виявляється, як це не дивно, наявність втрат в керамічній підкладці сприяє узгодженню антени і поліпшенню характеристик маленької антени, в порівнянні зі звичайною антеною, розміри якої порівнянні з довжиною хвилі. Дійсно, збільшивши втрати до величини tg = 0,1 (звичайно, нереально великі), расч╦тним пут╦м на HFSS, отримуємо залежності узгодження, показані на Мал. 13 .

, (12)

яку можна представити у вигляді

| S11 | ² = 1 √ Ktg √ G / D, (13)

де K * tg = Pпогл / Pном, K в загальному випадку не дорівнює 1.

З (13) видно, що | S11 | ² зменшується зі збільшенням втрат, і можна зрозуміти, чому узгодження з антеною досягається простіше для випадку кераміки з втратами.

Потужність теплових втрат в діелектрику можна оцінити, якщо розглянути антену як резонатор на нижчій моді, ТМ100. тоді

,

де V - об'╦м антени-резонатора; E - поле основний моди всередині антени; ▓▓ = o ▓ tg . Для оцінки можна прийняти

,

де L - довжина антени (резонансний розмір). тоді

,

де V = L * W * H (W - ширина, H - товщина підкладки).

Повертаючись до формули для G, отримуємо:

. (14)

Дана формула оцінює зміну характеристик малих керамічних антен з втратами.

Розрахунок діаграми спрямованості антени Bluetooth

Одним із завдань, що стоять перед розробниками антени Bluetooth, є забезпечення е╦ всеспрямованого характеру, бо при мимовільному обертанні можуть спотворитися дані, що передаються від одного приладу до іншого. Чим менше розміри власне антени, тим менше вплив корпусу на азимутально діаграму стільникового телефону (рис. 14 , 15 ).

Експериментальне дослідження планарной антени

Експериментальну настройку антени можна виконувати за критерієм узгодження і за критерієм ДН. на Мал. 16 показана виміряна частотна характеристика параметра S11, нанес╦нная на діаграму Сміта.

Висновок

У статті розглянуто особливості моделювання мікрополоскової антени в системі Bluetooth, призначеної для бездротової локальної зв'язку. Розглянуто систему Bluetooth в стільниковому телефоні. Головна особливість роботи антеною системи ≈ робота антени в сильно металлизированном корпусі, тобто з великим противагою. Тому для расч╦та струмів, що наводяться антеною на поверхні корпусу, необхідне застосування програми аналізу в 3D поданні. Такою програмою є HFSS. У цьому випадку моделювання антени разом з іншими елементами корпусу становить істотну частину всього процесу проектування конструкції антени і трубки.

Особливості процесу моделювання продемонстровані на прикладах patch антени YCE-5207 фірми Yocowo, представленої комбінацією прямокутної металевої площадки і мікрополоскової лінії на кераміці з великою діелектричною проникністю досить складних форм. Результати конкретного аналізу представлені у вигляді частотних характеристик коефіцієнта відбиття, струмів на корпусі, ближнього поля і ДН. Показано вплив елементів корпусу трубки на діаграму випромінювання в дальній зоні. Розглянуто як зовнішні, так і внутрішньокорпусні варіанти кріплення антени.

література

1. Jennifer Bray, Charles Sturman. Bluetooth: connect without cables. Prentice-Hall, 2001. 495 p.
2. Balanis CA Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley & Sons. 2nd edition. 1 997.
3. Fujimoto K. and James JR (editors). Mobile Antenna Systems Handbook. 2nd edition. Artech House. 2001. 710 p.
4. Кессеніх В., Іванов Є., Кондрашов З. Bluetooth: Принципи побудови і функціонування // Chip News. 2001. ╧ 7. С. 54√56.
5. Калиничев В., Курушин А. Микрополосковая антени для стільникових телефонів // Chip News. 2001. ╧ 7. С. 6√12.