基于RF_PIC無線發(fā)射器件的環(huán)形天線研究和設(shè)計(jì)

1、基于RF PIC無線發(fā)射器件的環(huán)形天線研究和設(shè)計(jì)字體:  小  中  大  | 打印 發(fā)布: 2007-5-08 20:20    作者: 陳有輝 于冬清    來源: RFID信息網(wǎng)    查看: 371次 1  引言隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，低功耗、便攜式微小型無線通信產(chǎn)品也日益受到消費(fèi)者的青睞。為了能使微小型的無線通信產(chǎn)品收發(fā)數(shù)據(jù)效率更高，提高產(chǎn)品的實(shí)用性和可靠性，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)于rfPIC12F675基于PCB板的環(huán)形天線。天線是將無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率由電磁波的形

2、式輻射出去的一個(gè)重要的無線電設(shè)備。目前，有許多柱式天線或其他體積較大的外置天線。為了在保證傳輸效率的情況下，減小天線的體積和降低功耗，將天線設(shè)計(jì)在PCB板上，以適合于低功耗、便攜式的無線通信產(chǎn)品的需求。該設(shè)計(jì)基于MICROCHIP公司的發(fā)射芯片，其內(nèi)部集成了壓控晶振VCO和鎖相環(huán)PLL等電路，簡(jiǎn)化了無線通信中其他電路的設(shè)計(jì)，降低整體設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)成本，同時(shí)提高了系統(tǒng)的電磁兼容能力和可靠性。該系統(tǒng)采用的RF芯片為rfPIC12F675，其發(fā)射功率可達(dá)10dB。此外(1)，該單片機(jī)采用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)（RISC）、哈佛總線結(jié)構(gòu)和兩級(jí)流水線取指令方式，對(duì)惡劣的環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。2 環(huán)形天線工作原理環(huán)

3、形天線和人體非常相似，有普通的單極或多級(jí)天線功能。再加上小型環(huán)形天線的體積小、高可靠性和低成本，使其成為微小型通信產(chǎn)品的理想天線。典型的環(huán)形天線由電路板上的銅走線組成的電回路構(gòu)成，也可能是一段制作成環(huán)形的導(dǎo)線。其等效電路相當(dāng)于兩個(gè)串連電阻與一個(gè)電感的串連（如圖1所示）。Rrad是環(huán)形天線實(shí)際發(fā)射能量的電阻模型，它消耗的功率就是電路的發(fā)射功率。假設(shè)流過天線回路的電流為I，那么Rrad的消耗功率，即RF功率為PradiateI2·Rrad。電阻Rloss是環(huán)形天線因發(fā)熱而消耗能量的電阻模型，它消耗的功率是一種不可避免的能量損耗，其大小為PlossI2·Rloss。如果Rloss

4、>Rrad，那么損耗的功率比實(shí)際發(fā)射的功率大，因此這個(gè)天線是低效的。天線消耗的功率就是發(fā)射功率和損耗功率之和。實(shí)際上，環(huán)形天線的設(shè)計(jì)幾乎無法控制Ploss和Prad，因?yàn)镻loss是由制作天線的導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)線的大小決定的，而Prad是由天線所圍成的面積大小決定的。3  參數(shù)值的計(jì)算（1） 電阻值的計(jì)算       環(huán)形天線的發(fā)射電阻Rrad可以參考如下公式(2)：     式中A為環(huán)形天線所圍成的面積，單位為米； 為無線電的波長(zhǎng)，可以通過發(fā)射頻率和光速計(jì)算出，其單

5、位為米。由該公式可以計(jì)算出，Rrad的大小在毫歐級(jí)的范圍內(nèi)。環(huán)形天線的損耗電阻大小的公式為：式中l(wèi)為環(huán)形天線的周長(zhǎng)，w為PCB走線的寬度，f為射線頻率， 4 ·107， 為PCB板走線的電導(dǎo)率，典型的銅電導(dǎo)率為5.7·107S/m。（2） 電感值的計(jì)算圖1中的第三個(gè)元器件就是環(huán)形天線的電感L。天線的電感性主要是磁效應(yīng)而產(chǎn)生的結(jié)果。通常，即使是簡(jiǎn)單形狀的天線的電感系數(shù)計(jì)算公式也是很難得到的。目前，計(jì)算導(dǎo)體電感率的公式也比較多，但一般都是比較冗長(zhǎng)的?，F(xiàn)給出一個(gè)簡(jiǎn)單而相對(duì)準(zhǔn)確的公式：。4 電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用的頻率為是最常用的433.92 MHz。在調(diào)試方式上，無論ASK還是FSK

6、，對(duì)于天線的設(shè)計(jì)方法是相同的，本設(shè)計(jì)采用的是ASK方式。采用的芯片是rfPIC12F675。（1） 阻抗匹配為了使天線達(dá)到發(fā)射電磁波的目的，必須對(duì)其參數(shù)進(jìn)行匹配，使天線回路發(fā)生震蕩。在回路中加入電容，使得天線回路阻抗值最小。在這個(gè)諧振電路（如圖2所示）中，電容C的值的計(jì)算公式為：計(jì)算該諧振電路的品質(zhì)因素的公式為：式中Rs為回路中的總電阻，不僅包括Rrad和Rloss，而且還包括實(shí)際電路中電容產(chǎn)生的電阻效應(yīng)，一般的陶瓷電容在UHF頻段范圍內(nèi)的電阻值為0.2歐到0.8歐之間。為了使天線達(dá)到更好的效果，通常把電容C拆開為兩個(gè)電容C1和C2，如圖3所示。通常，C2遠(yuǎn)大于C1，在本設(shè)計(jì)中，C1用來調(diào)節(jié)共

7、振頻率，而C2調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配。（2） 原理圖設(shè)計(jì)原理圖的設(shè)計(jì)（如圖4所示）是從圖3中演變而來的，C1即是圖3中的C1，C2和C3串聯(lián)組成圖3中的C2。這點(diǎn)對(duì)于調(diào)整電路板的諧振頻率很重要。圖2 環(huán)形天線的諧振電路（3） PCB圖的設(shè)計(jì)在PCB圖（如圖5所示）設(shè)計(jì)時(shí)，使天線的線寬為2mm，所圍成的面積盡可能大，在天線上及天 圖6  測(cè)試結(jié)果頻譜分析圖線所圍的范圍內(nèi)不要放置元器件，否則其參數(shù)將很難計(jì)算出來。在設(shè)計(jì)電路板其他部分時(shí)，需要將電路板兩面用地敷銅，并且用許多的過孔將其連接。（4） 參數(shù)值的計(jì)算當(dāng)電路板設(shè)計(jì)結(jié)束之后，確定相應(yīng)的參數(shù)值。在本設(shè)計(jì)中，天線的走線寬度為2mm，寬度為16

8、mm，長(zhǎng)度為35mm，三個(gè)電容的總阻值約為1.7歐。由前面的公式可以計(jì)算出：Rrad0.0573歐，Rloss0.289歐，L68.3nH，C12.27pF，C214.8pF。試驗(yàn)表明這些電容值比實(shí)際的值高15，而使用的元器件也有5的誤差。最后確定參數(shù)值為C112P；C215P；C32P。5 調(diào)整與測(cè)試調(diào)試設(shè)備要求：一個(gè)信號(hào)發(fā)生器、一個(gè)信號(hào)分析器和一根接收天線。測(cè)試方法：將信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)頻率調(diào)整到433.92MHz，作為激勵(lì)連接在天線上，用示波器從接受天線上獲取接收到的信號(hào)，以此來觀察天線發(fā)射的有效功率。調(diào)節(jié)匹配電容，以使獲取功率最大。調(diào)整方法：將電容C1的電容值翻倍，然后逐漸減小，理解該電

9、容是如何影響天線的性能，并使輸出功率達(dá)到最大，觀察在峰值附近時(shí)的靈敏度以及哪個(gè)電容對(duì)其影響最大。在調(diào)試的過程中，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你用調(diào)節(jié)工具調(diào)節(jié)的時(shí)候，發(fā)射功率隨著調(diào)節(jié)的工具的移開而減小?？朔@個(gè)困難的方法是調(diào)節(jié)電容使發(fā)射功率通過峰值并記錄峰值位置，然后繼續(xù)調(diào)整電容，使輸出功率達(dá)到峰值的另外一側(cè)，然后移走調(diào)試工具，觀察輸出功率的變化情況。如果輸出功率變小，則調(diào)整電容，使輸出功率達(dá)到峰值的另外一側(cè)，然后移走調(diào)試工具。反復(fù)試驗(yàn)，最終得到最大值。調(diào)試結(jié)果如圖6所示。6 結(jié)束語本文的創(chuàng)新在于基于MICROCHIP公司生產(chǎn)的rfPIC12F675芯片，提出了一種微小型天線設(shè)計(jì)技術(shù)和調(diào)試技術(shù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無

10、線發(fā)射數(shù)據(jù)的同時(shí)具有一下優(yōu)點(diǎn)：1.由于天線體積減小，使整個(gè)系統(tǒng)的體積減小，可以減小無線通信產(chǎn)品的體積，也可以使其外表美觀。2.該天線調(diào)試技術(shù)可以使整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)射效率達(dá)到最大，從而最大限度地節(jié)約能量。3.該天線設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，成本很低，因此有很大的實(shí)用價(jià)值。實(shí)際應(yīng)用表明，該天線有成本低，效率高，穿透性好和體積小的等顯著特點(diǎn)。7  參考文獻(xiàn)1   劉建新,譚平   基于PIC18F458的車載CAN總線儀表系統(tǒng)   微計(jì)算機(jī)信息 2006年第2-2期 P2222.  KFujimoto,A.Henderson,K.Hirasawa,and J.R.James,”Small Antennas”.Research Studies Press Ltd.John Wiley & Sons,19873.  Faron Dacus, “Introducing Loop Antennas for Short Range Radios,Part5”(Microwave & RF July 200280-88)4.  Frederick W. Gro