Антенны для блютуза. Как создать антенну для адаптера Bluetooth, увеличение дальности приема. Планарные антенные системы BlueTooth в сотовых телефонах

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. 28), 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.

Рис. 28

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. 29). Размеры модуля новой серии G2 - 15x5,8x7,0 мм.

Рис. 29

Компания Miyazaki Matsushita Electric Industrial Co. Ltd. Выпускает сверхкомпактную антенну для Bluetooth-устройств (30). 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.

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.

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.

Рис. 30

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 неподходящей 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:

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.

Проектирование антенн для приложений не определено и не стандартизовано в

Рис . 3.14. Габаритные размеры антенны

ности 9 0 5 . От вида диаграммы направленности зависит коэффициент направленно­го действия (КНД) антенны, определенный как отношение мощности, излучаемой в направлении максимума диаграммы, к усредненному по всем направлениям зна­чению плотности потока мощности.

С КНД однозначно связан коэффициент усиления антенны, определяемый как произведение КНД на КПД антенны. Обычно коэффициент усиления измеряется в децибелах по отношению к усилению изотропной антенны (дБи). Изотропная ан­тенна - это антенна, обеспечивающая одинаковое излучение во всех направлениях.

Другим важным показателем антенн является вид поляризации. Поляризация бывает линейной (горизонтальной и вертикальной) и эллиптической, в частном случае круговой. В сетях связи Bluetooth найдут применение ненаправленные в го­ризонтальной плоскости антенны с коэффициентом усиления (0-5) дБи.

Необходимо заметить, что для антенн применим принцип взаимности, в соответ­ствии с которым одна и та же антенна может использоваться как в качестве переда­ющей, так и в качестве приемной.

В приложениях Bluetooth широкое распространение могут найти микрополоско-вые и печатные антенны, представляющие собой металлический проводник той или иной формы, расположенный над заземленной подложкой. Такая антенна мо­жет быть удачно совмещена с печатной платой, на которой расположены СВЧ кас­кады приемопередатчика. Приемопередатчик подключается к антенне в определен­ной точке. В этой точке осуществляется отвод сигнала на приемник и подвод мощ­ности от передатчика.

В ряде приложений Bluetooth могут использоваться направленные антенны. Ни­же приведены краткие описания и спецификации антенн для Bluetooth систем от некоторых компаний производителей.

Антенны фирмы RangeStar

P/N 100903

Вертикально поляризованная антенна Bluetooth (TM)/802.11b

Таблица 3.11.
Частотным диапазон	2400-2483 МГц
Максимальное усиление
Поляризация	Линейная
Ширина диаграммы направленности	Всенаиравленная
Коммутируемая мощность
Импеданс точки питания
Габариты	22,0 х 12,7 х 0,8 мм

Рис. 3.13. Внешний вид антенны 100903

Антенна 100903 - это вертикально поляризованная антенна с рабочим частот­ным диапазоном 2400-2483 МГц . Она хорошо подходит для интеграции в точ­ки доступа, устройства, установленные на столах и стенах, мобильные телефоны, PC карты, PDA и другие приложения Bluetooth. Это надежная, простая и не нуж­дающаяся в настройке антенна. Внешний вид антенны, конструкция и диаграмма направленности приведены на рис. 3.13, 3.14 и 3.15 соответственно. Основные ха­рактеристики приведены в таблице 3.11.

Рис. 3.15.

Антенна Bluetooth(TM)/802.11b - P/N 100930

100930 - это встраеваемая антенна для систем Bluetooth и 802.1 lb с рабочим ча­стотным диапазоном 2400-2483 МГц . Она может быть интегрирована в точки Доступа, устройства, установленные на столах и стенах, PC-карты, и другие устрой­ства Bluetooth. Внешний вид антенны, конструкция и диаграммы направленности приведены на рис.3.1673.19. Основные характеристики сведены в таблицу 3.12.

[с. 3.16. Внешний вид антенны 100930

Антенны фирмы KOSANT

фирма KOSANT производит миниатюрные микрополосковые антенны для Bluetooth. Основные типы антенн и их характеристики приведены в таблице 3.13 .

Таблица 3.13. Основные типы и характеристики антенн фирмы KOSANT

Рис. 3.17. Диаграмма направленности в угломестной плоскости

Рис. 3.18. Диаграмма направленности в азимутальной плоскости

Частотный диапазон (МГц)	2400-2500
Усиление (дБи)
Поляризация	Линейная	Линейная	Линейная	Линейная	Линейная	Линейная	Линейная	Линейная
Импеданс (П)

Пример внешнего вида и диаграмм направленности для этих антенн приведен на рис. 3.20 -5- 3.22.

Рис. 3.20. Внешний вид антенны

Рис. 3.19. Габаритные размеры антенны

не. 3.21. Диаграмма направленности в азимутальной плоскости

Рис. 3.22. Диаграмма направленности в угломестной плоскости

Следует иметь в виду, что в приемопередатчике эти антенны устанавливаются на заземленный экран.

3.8. Отладочные и вспомогательные средства для разработки изделий на основе Bluetooth

Для упрощения понимания технологии, разработки и отладки изделий на ее осно­ве, компания Ericsson предлагает несколько специальных средств, каждое из кото­рых ориентировано на определенный круг пользователей, разработчиков и интег­раторов. Эти средства помогают удешевить, оптимизировать и ускорить разработ­ку устройств Bluetooth .

Набор для начинающих - Bluetooth™ Starter Kit

Конструкция набора приведена на рис.3.23.

Рис. 3.23. Bluetooth Starter Kit

Описание

Bluetooth Starter Kit (набор для начинающих) предоставляет дешевую и полно­стью функциональную среду разработки для голосовых и информационных прило-

жений, основанную на модуле Bluetooth от Ericsson Microelectronics. Набор позво­ляет начинающим разработчикам беспроводной технологии Bluetooth построить приложения Bluetooth, сэкономить время разработки и уменьшить цену.

Устройство Starter Kit обеспечивает гибкую среду проектирования для инжене­ров и служит для того, чтобы они познакомились с технологией и могли начать опытно-конструкторские работы. Оно демонстрирует основные особенности бес­проводной технологии Bluetooth, позволяя разработчикам создавать интегриро­ванные приложения для макетных изделий.

Набор содержит материнскую плату с согласованными соединителями и сило­выми цепями, а также дочернюю плату с полным модулем Bluetooth, расположен­ным на плате. С помощью этого набора можно получить все функции, необходи­мые для реализации беспроводной технологии Bluetooth.

Набор служит для разработки приложений, основанных на хост-устройстве, а также предоставляет основное программное обеспечение Bluetooth, включая соот­ветствующие программные интерфейсы приложения (Application Programming Interface - API).

Набор для разработки - Bluetooth™ Development Kit

Конструкция платы приведена на рис. 3.24.

Рис. 3.24. Bluetooth Development Kit

Описание

Утвержденный специальной рабочей группой Bluetooth как Blue Unit, набор для разработки Bluetooth Development Kit от Ericsson Microelectronics упрощает, уско­ряет и удешевляет процесс разработки приложений Bluetooth.

Он предоставляет законченную и гибкую среду разработки, в которой инженеры могут интегрировать открытый беспроводной стандарт в целый спектр цифровых устройств. Предоставляя доступ ко всем аппаратным интерфейсам, набор приме­няется для разработки как встроенных, так и отдельных приложений. В наборе есть возможности отладки программного и аппаратного обеспечения для того, что­бы сделать процесс проектирования как можно быстрее и проще.

Расширяемая архитектура, созданная для удовлетворения потребностей новых разработчиков и пользователей Bluetooth, демонстрирует основные особенности технологии. Это позволяет разработчикам создавать прикладные платы для макет­ных изделий и ускорять разработку законченного приложения.

Набор для модернизации Bluetooth - Bluetooth Upgrade Kit

Конструкция изделия приведена на рис. 3.25.

Рис. 3.26. Bluetooth Application & Training Tool Kit

Рис. 3.25. Bluetooth Upgrade Kit

Описание

Набор для модернизации Upgrade Kit позволяет обладателям Bluetooth Development Kit наращивать его функциональные возможности. В зависимости от потребностей существует несколько различных наборов для модернизации.

Версия R1A

Upgrade Kit версии R1A обеспечивает многоточечную (multi-point) связь. В ор­ганизуемой сети поддерживается работа до семи подчиненных устройств, а также переключение мастер/подчиненное устройство. В этой версии поддерживаются протоколы ОВЕХ и TCS.

Версия R3B

Upgrade Kit R3B требуется для тестирования Blue Unit. Этот набор соответству­ет техническим требованиям Bluetooth v.l.Ob. И может использоваться для тести­рования Blue Unit согласно технических требований Bluetooth v.1.1.

В этой версии поддерживаются протоколы ОВЕХ и TCS.

Инструментарий для приложения и обучения - Bluetooth Application & Training Tool Kit

Конструкция изделия приведена на рис. 3.26.

Описание

Bluetooth Application & Training Tool Kit предназначен для школ и университетов и представляет собой дешевое, удобное средство для практических занятий при изуче­нии беспроводной технологии Bluetooth. Оно было разработано компанией Ericsson Microelectronics и позволяет студентам высших учебных заведений как теоретически, так и практически изучить систему радиосвязи ближнего действия Bluetooth.

Рис. 3.27. Подключение модуля к компьютеру с помощью USB-соединения

Аппаратное обеспечение состоит из модуля, который может быть легко подключен к компьютеру с помощью USB-соединения (рис. 3.27), что гарантирует использова­ние полной скорости передачи данных. Четко определенный программный интерфейс приложения (API) обеспечивает доступ к различным уровням стека протоколов.

3.9. Экономичные режимы работы устройств Bluetooth

Точки доступа, основанные на технологии Bluetooth, дадут возможность новым по­колениям мобильных устройств передавать большие объемы голосовой информа­ции и данных. Как правило голосовые приложения Bluetooth работают от малога­баритных батарейных источников питания. В тоже время системы передачи дан­ных могут работать от сетевых источников. В первом случае экономичный режим работы наиболее актуален. Эффективным способом экономии мощности является уменьшение времени, в течение которого активен приемопередатчик Bluetooth. Технические требования Bluetooth Baseband предусматривают три основных спо­соба работы в экономичном режиме :

1. Если у подчиненного устройства нет надобности участвовать в пикосети, но оно все еще должно быть синхронизировано, оно может быть переведено в режим «ПАРКОВКА» (Park). Этот режим подходит для подчиненных устройств, которые время от времени нуждаются в связи с мастером. Устройства, находящиеся в этом

режиме, могут запросить выход из режима Park у мастера, путем передачи перио­дического сигнала маяка (beacon), передаваемого мастером. Интервалы между сиг­налами маяками могут составлять несколько секунд.

Режим «ВНИМАНИЕ» (Sniff) подходит для устройств, которым нужно свя­ зываться с мастером периодически с заранее заданной частотой. В этом режиме нет гарантии того, что устройства будут обслужены при каждом периодическом требо­ вании. Режим Sniff позволяет экономить потребление батареи за счет уменьшения трафика запросов. Sniff-интервалы могут продолжаться до нескольких секунд.

Режим «ПАУЗА» (Hold) целесообразен в том случае, когда устройство может иногда приостанавливать трафик вызова. Устройство может войти в режим Hold на заранее определенный промежуток времени для обработки другой задачи, на­ пример для участия в работе другой пикосети, когда в течение определенного пери­ ода времени ничего не надо передавать, естественно экономя при этом энергию.

Кроме того, в случае если мастер общается с известными (обнаруженными ра­нее) устройствами, то при организации связи можно пропустить процедуру запро­са. Если при этом подчиненное устройство находится в режиме «ожидания вызо­ва» (Page Scan), то время ожидания вызова будет составлять всего несколько де­сятков млсек. Это особенно важно, если мастер-устройство работает от батареи, а подчиненное устройство, постоянно находящееся в режиме ожидания вызова, пи­тается от сети. В этом случае энергопотребление устройства будет снижено.

Для того чтобы выбрать правильный экономичный baseband-режим, проекти­ровщику аппаратуры необходимо учитывать пропускную способность, время отве­та (или время ожидания) и требования к потребляемой мощности каждого кон­кретного приложения. Чем дольше устройство остается бездействующим, тем большее энергосбережение. Одним из ограничивающих факторов, который опреде­ляет, как часто устройству нужно выходить на связь, является условие синхрони­зации часов между мастером и подчиненными устройствами, принимающими учас­тие в пикосети. Технические требования Bluetooth требуют, чтобы устройство, ра­ботающее в нормальном режиме в пределах пикосети (в этом режиме к нему можно обратиться в любое время) работало с часами, обеспечивающими стабильность 20 ррщ. Чтобы поддерживать синхронизацию пикосети, мастер должен обеспечивать сообщения о синхронизации по крайней мере каждые 225 млсек. Это определяет максимальный период между включениями в нормальном режиме.

Использование энергосберегающих режимов работы позволяет не только умень­шить потребляемую мощность устройств Bluetooth, но и увеличить надежность пи­косети путем уменьшения интерференции от других беспроводных устройств. Каждая пикосеть Bluetooth использует 79 частотных каналов. Конфликты между разными пикосетями или между пикосетями Bluetooth и другими беспроводными устройствами, работающими в одной области частот, будут уменьшены, за счет то­го, что устройства Bluetooth большую часть времени пассивны, т.е. при использо­вании энергосберегающих режимов. Таким образом, в этом случае экономятся два наиболее важных ресурса - полоса частот и энергия источника питания.

Беспроводные устройства очень удобны – вам не нужно больше переживать за провода, однако вы должны четко понимать, что связь «по воздуху» имеет свои определенные ограничения по радиусу. Причем чем дешевле, к примеру, будет Bluetooth-адаптер, который вы приобретаете для своего компьютера, тем меньше вы сможете отойти от него, чтобы получать стабильную связь. Конечно же, и некоторые дорогие устройства не всегда выдают хорошие результаты. Сегодня мы поговорим о том, как усилить сигнал Bluetooth и насколько это реально.

Общая информация

В статье описываются некоторые методы, которые подразумевают под собой разборку адаптера, замену его частей или модификацию с помощью пайки, что может подойди далеко не каждому. Если вы не разбираетесь в электронике, не очень проворны в пользовании паяльником или ваше устройство на гарантии, то, пожалуйста, лучше избегайте подобных методов.

Дополняем адаптер

Самым простым, но не самым эффективным методом, как увеличить скорость Bluetooth, можно считать дополнение адаптера отражателем, который направит сигнал в определенном направлении, а не усилит его распространение на все 360 градусов.

Вы можете попробовать сделать такой отражатель из жестяной пивной банки, срезав у нее верх и сделав еще несколько прорезей: сверху вниз и затем от нее немного в стороны, как бы слегка отделяя низ банки.

Bluetooth-адаптер крепится по центру тем, что вам по душе придется, и подключается к компьютеру USB-переходником.

Что-то подобное можно соорудить и из картона с наклеенной на него фольгой.

Еще один вариант, который может сработать, – это отрезать только верх банки, затем сделать прорезь для корпуса ближе к низу банки и вставить адаптер внутрь той стороной, на которой находится антенна. Дальше опять же фиксируем удобным вам методом и подключаем через удлинитель.

Модификации

А сейчас мы поговорим о способах, которые подразумевают физическую модификацию уже непосредственно самого адаптера. В более дешевых вы вряд ли найдете внешнюю антенну, в чем, собственно, и есть их проблема.

Вскрываем корпус, если есть такая возможность, и ищем SMD-антенну, которая впаяна в плату, – вам необходимо будет ее выпаять, только очень аккуратно, не перегревая деталь.

Дальше мы на место антенны припаиваем SMA-коннектор, перед этим удалив все лишнее: часть, в которую вкручивают антенну, не трогаем, а на другом конце отрезаем край, разделяем экран и жилы, зачищаем их, лудим и припаиваем.

Если у вас возникают сомнения, куда что именно паять, то лучше всего обратиться на форумы радиолюбителей.

Теперь подключаем к тому, что у нас вышло, антенну, которую можно смело скрутить со старого Wi-Fi.

Если же у вас более дорогое устройство уже с внешней антенной, но вы все равно недовольны сигналом, то спасти ситуацию может антенна Hyper gain – покупаете ее, отрезаете переходник для подключения и разделяете экран с жилой.

Сейчас довольно часто выпускают смартфоны, телефоны или же коммуникаторы со встроенным адаптером Wi-Fi. И радиус действия Wi-Fi составляет порядка ста метров, а вот телефоны, которые снабжены Bluetooth, передают и принимают файлы только на расстояние не больше, чем десять метров. Если у вас есть Usb-blutooth для компьютера, а так же телефон с bluetooth, но вы бы хотели добиться увеличения дальности приема. Все это вполне возможно, но необходимо усовершенствовать usb-bluetooth.

Ну что же, начинаем. Разбираем на адаптер bluetooth для компьютера, после этого нужно отладить корпус bluetooth и очень внимательно осмотреть плату адаптера.

Во всех моделях адаптеров в конце платы есть медный контакт, похожий на спираль, на фотографии это номер 1. Эта спираль является антенной bluetooth, именно к ней и будет припаиваться дополнительная самодельная антенна.

Нам потребуется провод одножильный из меди с диаметром от 0.4 до 0.8 мм. Провод покрыт изоляцией из лака, и не нужно от неё избавляться полностью. Закрутим провод так, как это показано на фотографии, затем проведем обработку кончика медного провода при помощи канифоли, затем оловом. Такую же процедуру нужно провести с медной спиралью в bluetooth-е, не перегревайте плату адаптера, делайте всю работу очень аккуратно.

Затем, нужно сделать отверстие в самом корпусе для адаптера bluetooth, в месте выхода самодельной антенны. Теперь очень аккуратно закроем плату в корпусе. Вот и готов модернизированный bluetooth, который дает увеличение дальности приема раза в 4.

Что бы еще больше увеличить дальность приема можно взять многожильный достаточно длинный провод, который будет покрыт изоляцией, необходимо зачистить кончик, и примотать его к антенне, второй кончик можно прикрепить к небольшому вбитому в стену гвоздику.