В. Калиничев, А. Курушин, В. Недера

Планарные антенные системы BlueTooth в сотовых телефонах

Рассматриваются вопросы применения планарных микрополосковых антенн в системе беспроводной локальной связи Bluetooth. Рассмотрены конструкции и методы анализа планарной керамической антенны, с учётом потерь в керамике. Для численного анализа антенны в корпусе использована программа HFSS. Для конкретной телефонной трубки выполнены расчёты: распределение тока по поверхности металлического, покрытого сверху диэлектриком, корпуса телефона, диаграммы направленности для различной ориентации сотового телефона. Дан обзор серийных Bluetooth-антенн, а также рекомендации по установке этих антенн в корпус.

Введение

Увеличение скорости обмена информацией способствовало развитию беспроводных систем связи на "домашнем" уровне. Персональные компьютеры и ноутбуки, сотовые телефоны, CD- и МР3-плееры, цифровые фото- и видеокамеры и масса других цифровых устройств (рис. 1), часто подсоединяемых друг к другу и к стационарным компьютерам, создали проблему их связи.

Рисунок 1. Система ближней локальной связи с использованием беспроводной технологии Bluetooth

Кабель стал неудобен - подключаться надо часто, размеры самого кабеля с разъёмами едва не больше собственно подключаемого устройства и так далее. На этом фоне резко возросла актуальность беспроводных локальных технологий WLAN (Wireless Local Area Networking), обеспечивающих бесконтактное подключение устройства к диску ведущего компьютера.

В результате была предложена и стала быстро развиваться система беспроводной связи Bluetooth (рис. 1). В спектре радиочастот ей отведено 79 каналов в полосе 37 МГц (примерно 2 МГц каждый) в диапазоне 2,4465-2,4835 ГГц.

Суть стандарта Bluetooth в оснащении электронных устройств приёмопередатчиками, работающими на частоте 2,45 ГГц, имеющими радиус действия до 10 м и скорость передачи информации до 1 Мбит/с. Возможности применения данных устройств поистине безграничны. Беспроводные наушники, мышки, клавиатуры, соединение мобильных телефонов и ноутбуков, обмен информацией между карманными компьютерами - всего не перечислить.

Система Bluetooth работает в разрешённой полосе 2,45 ГГц (полоса промышленного, научного и медицинского применения ISM - Industry, Science, Medicine), что позволяет свободно использовать устройства Bluetooth во всём мире. Технология использует скачкообразную перестройку частоты (1600 скачков/с) с расширением спектра. При работе передатчик перескакивает с одной рабочей частоты на другую по псевдослучайному алгоритму. Для разделения приёмного и передающего каналов используется временное разделение (рис. 2). Поддерживается синхронная и асинхронная передача данных и обеспечивается интеграция с TCP/IP. Временные интервалы синхронизированы для передачи пакетов, каждый из которых передаётся на своей частоте радиосигнала.

Рисунок 2. Поочередной обмен данных между прибором A и прибором B

Потребление мощности устройств Bluetooth должно быть в пределах 0,1 Вт. Каждое устройство имеет уникальный 48-бит сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.

Основным принципом построения систем Bluetooth [4] является использование метода расширения спектра при скачкообразном изменении частоты (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Весь выделенный для Bluetooth-радиосвязи частотный диапазон 2,402…2,480 ГГц разбит на N частотных каналов. Полоса каждого канала 1 МГц, разнос каналов - 140…175 кГц. Для кодирования пакетной информации используется частотная манипуляция.

Для США и Европы N = 79. Исключение составляют Испания и Франция, где для Bluetooth применяется 23 частотных канала. Смена каналов производится по псевдослучайному закону с частотой 1600 Гц. Постоянное чередование частот позволяет радиоинтерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и избежать воздействия помех со стороны устройств, работающих в этом же диапазоне. Если данный канал зашумлён, то система перейдёт на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится канал, свободный от помех.

Быстрому старту системы Bluetooth немало способствовала простота структуры. В её состав входят радиомодуль-трансивер, контроллер связи (он же процессор) и управляющее устройство, собственно реализующее протоколы Bluetooth верхних уровней, а также интерфейс с терминальным устройством. Причём если трансивер и контроллер связи - это специализированные микросхемы (интегральные или гибридные), то устройства управления связью реализованы на стандартных микроконтроллерах, сигнальных процессорах, либо его функции поддерживают центральные процессоры мощных терминальных устройств (например, ноутбуков).

Кроме того, в устройствах Bluetooth применяют интегральные схемы, используемые в других приложениях, поскольку СВЧ-диапазон 2 ГГц освоен достаточно хорошо, а заложенные в Bluetooth технические решения сами по себе особой новизны не содержат. В самом деле, схема модуляции - широко распространена, технология расширения спектра методом частотных скачков хорошо отработана, мощность мала.

Ключ к успеху Bluetooth-технологии - радиоприёмопередатчик. Низкая цена и малая мощность были первичными соображениями как при реализации технических требований интерфейса (короткая воздушная радиолиния), так и при проектировании приёмопередатчика. Технология Bluetooth позволяет создать однокристальный приёмопередатчик, объединяя ВЧ-схему и схему обработки цифровых потоков на одном кремниевом кристалле.

Приемопередатчик Bluetooth

Приёмопередатчик Bluetooth может быть разделен на три функциональных блока (рис. 3). Радиоблок содержит преобразователи вверх и вниз по ВЧ, ПЧ с полосой модулирующих частот, фильтр канала, модулятор/демодулятор и синтезатор частот.

Рисунок 3. Основные элементы приёмопередатчика Bluetooth

Радиоблок выполняет преобразование FM-сигнала на частоте 2,45 ГГц в битовый поток и наоборот. Антенна - очень важный элемент системы. Антенна должна быть всенаправленной и иметь усиление 0 dBi, присутствие пользователя не должно влиять на распространение сигнала. Из-за маленькой длины волны на частоте 2,45 ГГц размер антенны ограничен несколькими см. В настоящее время чаще всего применяются плоские или PIFA антенны, однако предложены ещё более миниатюрные конструкции E-типа на керамической подложке. Антенна дополняется полосовым фильтром, выделяющим частоту 2,45 ГГц из полосы ISM.

Чтобы реализовать простые и устойчивые приёмники и некогерентное детектирование, Bluetooth использует двоичную частотную манипуляцию (ЧМ, FSK), с обкатыванием частотного скачка Гауссовым импульсом, со скоростью 1 МБит/с. Площадь такого сигнала BT = 0,5, где B - полоса, T - длительность импульса, при индексе модуляции от 0,28 до 0,35 и длительности импульса 1 мкс. ЧМ устраняет потребность в АРУ, которой трудно работать при переключениях частот, и когда данные поступают в неравномерных временных интервалах. Входная часть ВЧ-приёмника состоит из преобразователя с понижением частоты, полосового фильтра канала и частотного детектора.

Фильтр канала выделяет полосу 1 МГц, и к нему предъявляются довольно высокие требования избирательности. Поскольку полоса ISM должна быть разделена с другими системами в данной полосе (среди которых могут быть и другие системы Bluetooth), должны быть приняты меры для предотвращения взаимодействия приборов. Обычно приёмник Bluetooth строится с преобразованием частоты вниз (то есть когда зеркальный канал попадает в полосу ПЧ). Для развязки рядом работающих систем Bluetooth коэффициенты блокирования по зеркальному каналу должны быть 20, 30 и 40 дБ для первого, второго и третьего соседних каналов.

Из-за особенностей эксплуатации системы Bluetooth, технические требования к интермодуляции жёстче, чем к чувствительности приёмника.

Чтобы перекрыть расстояние 10 м с выходной мощностью 0 дБм, достаточна чувствительность приёмника P_мин = -70 дБм. С учётом уровня шума на входе приёмника -114 дБм (в шумовой полосе 1 МГц) и требования на выходе приёмного тракта K_m = 21 дБ, для обеспечения максимального коэффициента ошибок передачи информации BER = 0,1% получаем, что коэффициент шума равен 13 дБ. Эта величина рассчитывается из формулы для чувствительности

P_мин = -174 дБм + NF + 10lgB + a + K_m, (1)

где -174 дБм - мощность теплового (kTB) шума в полосе 1 Гц в нормальной температуре; NF - коэффициент шума, дБ; B - полоса частот перед демодулятором, 1 МГц; a - порог срабатывания, a = 3 дБ; K_m - коэффициент, зависящий от вида модуляции.

По сравнению с коэффициентом шума, достигнутым на сегодня, который значительно ниже 13 дБ, эта величина кажется довольно плохим значением. Однако, это невысокое требование позволяет использовать дешёвые компоненты с потерями и обеспечивает защиту от мешающих сигналов (наводки в подложке и по разводке питания).

Расчет динамического диапазона приемника Bluetooth

Верхнюю границу динамического диапазона можно оценить по уровню продукта интермодуляционных искажений 3-го порядка, если считать, что на входе действуют 2 сигнала с частотами двух соседних каналов.

Два сигнала с частотами f₀ + Df и f₀ + 2Df производят продукт интермодуляционных искажений третьего порядка P_IM3 в рассматриваемом радиоканале с частотой f₀. Уровень мощности продукта P_IM3 зависит от входного сигнала интерферирующей мощности P_in и нелинейного параметра всего приёмника - точки пересечения третьего порядка IP₃ - и равен:

P_IM3 = 3P_in - 2IP₃ [дБ]. (2)

Свободный от искажений динамический диапазон определяется из условия, что искажения линейного и нелинейного происхождения одинаково влияют на искажения в демодуляторе и одинаково ухудшают обнаружение собственного сигнала. Значит, чтобы BER не превысил то же самое значение 0,1%, которое задавалось при определении чувствительности, нужно, чтобы мощность принятого сигнала была на 3 дБ выше уровня шумов (что соответствует чувствительности приёмника Pмин). Поэтому было получено IP3 = -16 дБм в выражении (2), при условии, что продукт интермодуляции PIM3 равен чувствительности приёмника, два интерферирующих сигнала имеют мощности 0 дБм, и интерференция присутствует на расстоянии в 1 м.

Объединяя значение IP3 = -16 дБм с чувствительностью приёмника P_мин = -70 дБм, из (1) и (2) получаем, что свободный от искажений динамический диапазон (SFDR) приёмника Bluetooth должен быть равен

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

Блок передатчика также довольно простой. Двоичная GFSK-модуляция получена прямой модуляцией ЧМ-гетеродина. Дополнительные фазовые преобразования с повышением частоты поэтому не нужны. Модулирующий сигнал фильтруется гауссовым фильтром, так чтобы сохранить ширину спектра 1 МГц, как требуется для FM-систем, работающих в полосе ISM на частоте 2,45 ГГц. Модуляция с гауссовой огибающей не предъявляет высоких требований к линейности выходного каскада передатчика, здесь могут использоваться экономичные усилители класса С.

Мощность передатчика Bluetooth около 0 дБм (допускается использовать максимальную мощность до 20 дБм). Для уровней мощности, превышающих 0 дБм, применяется регулирование мощности по замкнутому контуру.

Расчет дальности работы сотового телефона в системе Bluetooth

Известно, что мощность радиосигнала в точке приёма P_n равна:

где Р - излучаемая передатчиком мощность; G_m - максимальный коэффициент усиления передающей антенны; A_эфф.м - максимальная эффективная площадь приёмной антенны (пропорциональная геометрической площади антенны); F(,) - функция диаграммы направленности передающей антенны; F'(',') - функция диаграммы направленности приёмной антенны.

Из этой формулы можно получить максимальную дальность радиосвязи при условии, что антенны направлены друг на друга,

(4)

где P_n.min - чувствительность приёмника, в нашем случае P_n.min = 10-10 Вт (-70 дБм).

Подставив в формулу (4) мощность передатчика P = 10-3 Вт, G_m = 0,5, A_эфф.м = 25·10^-6 (5 на 5 мм), получаем r_m = 3 м.

Это значение приблизительно соответствует требованиям системы Bluetooth, и может послужить отправной точкой расчёта геометрии антенны, поскольку остальные характеристики определяются стандартом на микросхему приёмопередатчика.

Антенны для Bluetooth (обзор производителей и решений)

Несколько фирм, такие как Hitachi Metals, Murata, Yocowo, Antek Wireless, Centurion и другие, уже производят широкий набор антенн, которые применяются в сотовой телефонии и специально предназначены для систем Bluetooth, используя керамические материалы с хорошими высокочастотными свойствами.

Фирма Hitachi Metals выпустила антенны типа "E-Type Electrode Configuration" (рис. 4), хорошо подходящие для приложений Bluetooth. Место, требуемое для новой антенны, очень маленькое (15x3x2 мм), она не чувствительна к расположению периферийных частей, может быть выполнена в виде высокоэффективной антенны-кристалла для Bluetooth, проста в использовании.

Рисунок 4. Вид антенны Hitachi Metals для Bluetooth

Фирма Antek Wireless Inc. разработала новую 2,4-ГГц антенну оригинальной конструкции, которая обеспечивает эффективность, превышающую фактически любые технические требования проекта, миниатюрна, и может быть установлена почти в любое устройство. Антенна применима для различных приложений типа беспроволочной передачи видеосигнала, аудиооборудования, головных телефонов, модемов, мобильных компьютеров, портативных телефонов и других переносных карманных устройств, использующих протоколы Bluetooth, IEEE 802.11 и HomeRF.

Компания Centurion International разработала внутреннюю антенну PIFA или разновидности плоской антенны для использования в переносных компьютерах, использующих технологию Bluetooth. Новая антенна даёт возможность компьютерным фирмам - изготовителям разработать переносные устройства, которые легко связываются с портативными телефонами и системами обмена сообщениями, соединяются с Интернетом на высоких скоростях передачи данных.

Murata Manufacturing Co. начала производство и продажу встроенных диэлектрических антенн для ноутбуков, использующих технологию Bluetooth (рис. 5). Размеры модуля новой серии G2 - 15x5,8x7,0 мм.

Рисунок 5. Chip-антенна ANCG22G41 Murata

Компания Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. Выпускает сверхкомпактную антенну для Bluetooth-устройств. Антенна выполнена на керамической основе и имеет размеры 5x1,2x1,2 мм. Это самая маленькая антенна в индустрии Bluetooth. Характеристики антенны следующие: рабочая частота 2,4 ГГц, коэффициент усиления -2 dBi, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) 2,0.

Рисунок 6. Керамическая антенна в корпусе сотового телефона (фото)

TDK Corp. выпускает две полуволновые антенны небольшого размера (7 на 7 мм) для использования в изделиях на основе технологии Bluetooth. Антенна CANPB0715 имеет коэффициент усиления -5 dBi, а антенна CANPB0716 - 3 dBi. Большинство других малых антенн являются четвертьволновыми. Их использование возможно только в более крупных мобильных устройствах, таких как ноутбуки, где осуществляется заземление на корпус устройства. Для мобильных телефонов потребовалась разработка полуволновых антенн.

Рисунок 7. 3D-вид антенны Bluetooth в металлизированном корпусе сотового телефона (чертёж в HFSS)

Конфигурация антенны E-типа

Ранее антенны имели две основных конфигурации: обратную несимметричную антенну F-типа и плоскую антенну.

Перевёрнутая F-антенна имеет одну сторону открытую, а другую - заземлённую, что сделано для сокращения размера, но открытая сторона подчинена влиянию заземляющего электрода. Поэтому требуется большая область, чтобы реализовать антенные свойства в заданном пространстве, и необходима осторожность при проектировании расположения периферийных компонентов.

Кроме того, плоская антенна высоко чувствительна (высокое усиление) и имеет сильные направленные свойства, делая её неподходящий для приложений Bluetooth, где необходима всенаправленность.

Тип антенны, разработанный Hitachi Metals, имеет уникальные достоинства обратной антенны F-типа, но включает заземляющие электроды с обеих сторон и добавляется центральный, конусообразный электрод. Другими словами, новая конфигурация E-Type Electrode, изобретённая в Hitachi Metals, может быть ещё более миниатюризирована, и существенно не воздействует на близлежащие заземляющие электроды. Чем меньше антенна, тем меньше корпус влияет на её параметры.

Анализ всех конструкций антенн для системы Bluetooth, приведённых выше, позволяет выделить основные антенные параметры, входящие в спецификацию антенны, на основании чего можно выбирать метод проектирования сотового телефона с такой антенной.

Технические требования на антенну системы Bluetooth:

• рабочая полоса частот: 2400…2500 МГц;
• среднее усиление: -3 dBi;
• входное сопротивление: 50 Ом;
• VSWR: 3 или меньше.

В процессе проектирования антенной системы необходимо:

• рассчитать согласующую структуру между входом фильтра и точкой питания микрополосковой антенны;
• оптимизировать земляную поверхность (иногда называемую противовесом), то есть найти оптимальное заполнение внутренней поверхности корпуса телефона проводящими участками. В настоящее время это часто реализуется закраской отдельных частей корпуса проводящей краской.

Целью проектирования антенны является получение требуемой диаграммы направленности (ДН) и хорошее согласование в рабочей полосе частот.

Анализ обобщенной структуры планарной антенны

Из обзора существующих антенн для системы Bluetooth видно, что они имеют металлические формы сложной конфигурации, напылённые на одной или нескольких сторонах трёхмерной подложки, чаще всего керамической с большой проницаемостью (рис. 8). Поэтому можно сказать, что каждая из этих форм является резонатором. Известно, что размеры антенны связаны с рабочей частотой. Если считать, что антенна резонирует по более длинной стороне, то длину антенны можно оценить по следующей простой формуле [1]:

(5)

где f_r - заданная резонансная частота; - относительная диэлектрическая проницаемость материала подложки. Эта формула не принимает во внимание влияния ширины подложки антенны и толщины подложки на резонансную частоту, но это влияние обычно незначительно. Формула (1) отражает физическую природу печатной антенны (рис. 9) как полуволнового резонатора, который сформирован в пространстве между верхним проводником и земляной платой антенны. Например, на частоте f_r = 2,5 ГГц и = 34 (керамика) из (1) имеем A ~= 10,3 мм.

Рисунок 8. Геометрия Bluetooth-антенны YCE-5207 в системе AutoCAD

Рисунок 9. Антенна Bluetooth (вид сверху), спроектированная в AutoCAD

Длина антенны может быть уменьшена по крайней мере в два раза (при работе на той же частоте), если один её конец заземлить. В этом случае получится так называемая инвертированная F-антенна (PIFA), которая представляет четвертьволновый резонатор, один конец которого заземлён, а другой открыт (холостой ход). PIFA (рис. 3) возбуждается коаксиальной линией в точке, где входное сопротивление антенны близко к 50 Ом. Таким образом, длина PIFA может быть приблизительно оценена как

(6)

Для антенны, настроенной на ту же самую частоту f_r = 2,5 ГГц и = 34, получаем a ~= 5,1 мм, что уже занимает намного меньше пространства, чем в предыдущем случае. Фактический размер антенны может быть даже меньше, благодаря эффекту краевого ближнего поля, сосредоточенного у открытого конца резонатора.

Размер E-антенны, поскольку она свёртывается с обоих сторон, может приблизительно оценен как

.

Поскольку антенны для системы Bluetooth находятся в полузамкнутом экране сложной формы, характеристики антенной системы могут значительно отличаться от характеристик, рассчитанных по теоретическим формулам. В этом случае, параметры антенны (размеры проводников и расстояние между ними по высоте) могут быть оптимизированы с помощью одного из программных пакетов, моделирующих электромагнитные структуры (рис. 10).

Рисунок 10. Ближнее поле в сотовом телефоне (в поле программы HFSS)

Отметим, что преимущество малого размера антенны PIFA достигается за счёт уменьшения её излучательной способности (излучает только один край), к тому же обычно PIFA антенны узкополосные.

Численные методы проектирования планарных антенн

Антенны - основные составляющие всех систем радиосвязи и используют свободное пространство как среду переноса. Они используются, чтобы связать с помощью интерфейса передатчик или приёмник в свободном пространстве.

Антенны имеют ряд важных параметров, наибольший интерес из которых имеют усиление, диаграмма направленности излучения, ширина диапазона и поляризация.

Современное проектирование антенн сотовых телефонов (рис. 11) основано на моделировании электромагнитных явлений на компьютере, используя в качестве начальных данных результаты, полученные на основе эскизных расчётов и эвристических соображений.

Рисунок 11. Вид антенны Bluetooth в корпусе сотового телефона

При создании модели необходимо помнить, что геометрия должна соответствовать реальному положению антенны во время работы, то есть такому, чтобы корпус находился в вертикальном положении (или под небольшим углом). В этом случае плоская антенна находится в положении "на ребре".

Особенности миниатюрных керамических антенн

Керамическая антенна изготовлена на подложке с высокой диэлектрической проницаемостью. Материал с высокой проницаемостью обладает также большими потерями.

Поэтому расчёт таких антенн необходимо вести с помощью программ, которые принципиально учитывают потери в керамике. Такой программой является программа HFSS.

Для того чтобы успешно установить плоскую антенну в конструкцию трубки сотового телефона, нужно провести расчётные исследования, которые показали бы зависимость характеристик антенной системы от тех или иных элементов конструкций телефона.

Отметим следующие особенности микрополосковых антенн:

• микрополосковые антенны более узкополосные, по сравнению со спиральными;
• микрополосковые антенны легко реализуют круговую поляризацию, по сравнению с преимущественно вертикальной поляризацией у спиральных антенн;
• микрополосковые антенны имеют более неравномерную диаграмму излучения в азимутальной плоскости, чем спиральные и вибраторные, в силу своей несимметричности относительно вертикальной оси.

Как уже отмечалось, керамическая антенна - 3D-структура, на поверхности каждой стороны которой нанесены металлические проводники определённой формы. Данная конструкция может иметь одну или несколько точек возбуждения. В эти точки на антенну подаётся возбуждающее напряжение, которое наводит в структуре токи излучения. Точки возбуждения могут быть связаны симметрирующим трансформатором (балуном).

Кроме точек возбуждения, на печатной антенне могут быть точки заземления (присоединения к заземляющей плоскости). Токи, наведённые в этой сложной конструкции, формируют диаграмму направленности и реализуют другие характеристики антенны, необходимые для установления связи с персональным компьютером или другим прибором.

Поскольку в результате электродинамического расчёта удаётся определить распределение токов в системе, то их анализ может послужить основой для модернизации антенны.

В процессе проектирования антенны необходимо, прежде всего, получить входное сопротивление, близкое к 50 Ом, поскольку в этом случае можно будет с меньшими потерями согласовать антенну с малошумящим входным усилителем и усилителем мощности передающего тракта.

Например, если величина возвратных потерь антенны (параметр 20 log |S₁₁|), порядка -20 дБ, это говорит о том, что в рабочем диапазоне частот антенна будет работать с хорошим согласованием с окружающим пространством. Величина -20 дБ показывает, что мощность генератора будет почти без отражения поглощаться антенной, которая в свою очередь нагружена свободным пространством. Антенна есть трансформатор между выходом усилителя мощности (или входом малошумящего усилителя) и свободным пространством, волновое сопротивление которого для плоской волны в дальней зоне можно считать равным 377 Ом.

Следующее требование - характеристики излучения, которые определяют способность антенны излучать в разных направлениях. При проектировании и расчёте антенны обычно интересуются сечениями диаграммы направленности в двух взаимноперпендикулярных плоскостях: азимутальной и угломестной. Азимутальная ДН определяет способность антенны излучать в горизонтальной плоскости, угломестная ДН - в вертикальной. И та и другая ДН важны для сотового телефона, но первая определяет всенаправленность, и она более характерна для оценки излучения в условиях эксплуатации. Параметры направленности печатной антенны или её модификаций должны быть не хуже, чем у существующих спирально-штыревых антенн.

Расчет характеристик излучения антенны Bluetooth

В таблице представлены результаты моделирования антенны в корпусе с использованием точных геометрических размеров конкретной конструкции. Из таблицы видно, что параметры рассчитанной конструкции значительно отличаются от измеренных параметров согласования (рис. 16). Поэтому проведём анализ причин этих отличий.

Таблица. Мощность, излучаемая антенной, направленность, усиление и магнитюда при отсутствии потерь в подложке (тангенс диэлектрической проницаемости = 0). Мощность номинальная генератора на входе (порта) равна 1 Вт

Самое большое принципиальное отличие расчётной и реальной конструкции заключается в параметрах подложки. Так, данные расчёта, приведённые в таблице, соответствуют идеализированному случаю отсутствия потерь в керамической подложке. В этом идеализированном случае без потерь найдём связь параметров таблицы.

Pизл рассчитывается программой HFSS по всей границе излучения. Вся мощность, прошедшая через стенки, обозначающие границу дальнего поля, суммируется и даёт эту P_изл.

Если подложка и проводники без потерь, то вся мощность, пришедшая в антенну, излучается, то есть P_изл. = P_ант, а эта мощность, пришедшая в антенну и затем излученная, определяется, в свою очередь, рассогласованием:

P_изл = P_ант = P_ном(1 – |S₁₁|²), (7)

где P_ном - номинальная мощность генератора. В расчёте на HFSS она задана 1 Вт.

На частоте 2 ГГц, в соответствии с таблицей, из (7) имеем

P_ант = 1(1 – |0,96|²) = 0,07W,

что соответствует полученной расчётным путём значению P_изл в таблице.

Усиление антенны по определению равно

. (8)

Подставляя (7) в (8), получаем, в логарифмическом масштабе,

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

Для частоты 2 ГГц имеем усиление антенны

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

Итак, мы показали связь параметров антенны для случая без потерь в подложке.

Перепишем (7) в следующем виде:

|S₁₁|² = 1 – G/D. (10)

Анализируя расчёт HFSS, видим, что на частоте 2 ГГц и на других частотах усиление антенны плохое, и, главное, имеет место рассогласование антенны (рис. 12). Эксперимент показывает однако, что усиление антенны значительно выше, даже без включения согласующих цепей. В чём же дело? Оказывается, как это ни странно, наличие потерь в керамической подложке способствует согласованию антенны и улучшению характеристик маленькой антенны, по сравнению с обычной антенной, размеры которой соизмеримы с длиной волны. Действительно, увеличив потери до величины tg = 0,1 (конечно, нереально большие), расчётным путём на HFSS, получаем зависимости согласования, показанные на рис. 13.

Рисунок 12. Частотная характеристика антенны Bluetooth при параметрах керамики = 34, tg = 0 (без потерь). Из рисунка видно, что согласование плохое

Рисунок 13. Частотная характеристика антенны Bluetooth при параметрах керамики = 34, tg = 0,1 (на частоте 2 ГГц)

Для того, чтобы исследовать эффективность антенны в зависимости от потерь, рассчитаем зависимости характеристик антенны в корпусе от потерь в керамике. Керамика обладает потерями, и расчёты показывают, что если считать, что потерь нет, то антенна имеет плохое согласование, если потери есть - согласование улучшается.

Мощность P_изл рассчитывается программой численно как сумма мощностей, падающих на все границы излучения. Эта мощность меньше номинальной мощности генератора, и составляет только её часть.

Поскольку в данном случае у нас есть потери, они определяются как разность мощностей между случаем без потерь, формула (7), и величиной P_изл. Равенство P_изл = P_ант уже не справедливо, эти мощности отличаются на мощность потерь в подложке:

P_изл = P_ант – P_погл. (11)

Подставив (11) в формулу (8), получим, что усиление антенны с учётом потерь в керамике находится по формуле

, (12)

которую можно представить в виде

|S₁₁|² = 1 – Ktg – G/D, (13)

где K*tg = P_погл/P_ном, K в общем случае не равен 1.

Из (13) видно, что |S₁₁|² уменьшается с увеличением потерь, и можно понять, почему согласование с антенной достигается проще для случая керамики с потерями.

Мощность тепловых потерь в диэлектрике можно оценить, если рассмотреть антенну как резонатор на низшей моде, ТМ100. Тогда

,

где V - объём антенны-резонатора; E - поле основной моды внутри антенны; ’’ = _o’ tg. Для оценки можно принять

,

где L - длина антенны (резонансный размер). Тогда

,

где V = L*W*H (W - ширина, H - толщина подложки).

Возвращаясь к формуле для G, получаем:

. (14)

Данная формула оценивает изменение характеристик малых керамических антенн с потерями.

Расчет диаграммы направленности антенны Bluetooth

Одной из задач, стоящих перед разработчиками антенны Bluetooth, является обеспечение её всенаправленного характера, ибо при непроизвольном вращении могут исказиться данные, передающиеся от одного прибора к другому. Чем меньше размеры собственно антенны, тем меньше влияние корпуса на азимутальную диаграмму сотового телефона (рис. 14, 15).

Рисунок 14. Угломестная диаграмма направленности антенной системы Bluetooth

Рисунок 15. Азимутальная диаграмма направленности сотового телефона с антенной системы Bluetooth

Расчёты показывают, что влияние тела пользователя на диаграмму направленности маленькой антенны значительно меньше, чем на ДН основной антенны сотового телефона. То же можно сказать и на обратное воздействие излучаемой мощности антенны Bluetooth на тело человека.

Экспериментальное исследование планарной антенны

Экспериментальную настройку антенны можно выполнять по критерию согласования и по критерию ДН. На рис. 16 показана измеренная частотная характеристика параметра S11, нанесённая на диаграмму Смита.

Рисунок 16. Измеренное на анализаторе цепей входное сопротивление антены в корпусе

Эти экспериментальные измерения выполнены на измерителе цепей HP8632.

Экспериментальное измерение смещения резонансной частоты антенной системы при экранировании антенны экраном показало, что уход резонансной частоты при внесении антенны в корпус составил 50 МГц.

Заключение

В статье рассмотрены особенности моделирования микрополосковой антенны в системе Bluetooth, предназначенной для беспроводной локальной связи. Рассмотрена система Bluetooth в сотовом телефоне. Главная особенность работы антенной системы — работа антенны в сильно металлизированном корпусе, то есть с большим противовесом. Поэтому для расчёта токов, наводимых антенной на поверхности корпуса, необходимо применение программы анализа в 3D представлении. Такой программой является HFSS. В этом случае моделирование антенны вместе с другими элементами корпуса составляет существенную часть всего процесса проектирования конструкции антенны и трубки.

Особенности процесса моделирования продемонстрированы на примерах patch антенны YCE-5207 фирмы Yocowo, представленной комбинацией прямоугольной металлической площадки и микрополосковой линии на керамике с большой диэлектрической проницаемостью достаточно сложных форм. Результаты конкретного анализа представлены в виде частотных характеристик коэффициента отражения, токов на корпусе, ближнего поля и ДН. Показано влияние элементов корпуса трубки на диаграмму излучения в дальней зоне. Рассмотрены как наружные, так и внутрикорпусные варианты крепления антенны.

Литература

1. Jennifer Bray, Charles Sturman. Bluetooth: connect without cables. Prentice-Hall, 2001. 495 p.
2. Balanis C.A. Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley & Sons. 2nd edition. 1997.
3. Fujimoto K. and James J.R. (editors). Mobile Antenna Systems Handbook. 2nd edition. Artech House. 2001. 710 p.
4. Кессених В., Иванов Е., Кондрашов З. Bluetooth: Принципы построения и функционирования // Chip News. 2001. № 7. С. 54–56.
5. Калиничев В., Курушин А. Микрополосковые антенны для сотовых телефонов // Chip News. 2001. № 7. С. 6–12.