基于rfPIC無線發(fā)射器件的環(huán)形天線的設(shè)計(jì)

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)輸出的射頻信號功率由電磁波的形式輻射出去的一個重要的無線電設(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)采用精簡指令系統(tǒng)（RISC）、哈佛總線結(jié)構(gòu)和兩級流水線取指令方式，對惡劣的環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

2 環(huán)形天線工作原理

環(huán)形天線和人體非常相似，有普通的單極或多級天線功能。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)于兩個串連電阻與一個電感的串連（如圖1所示）。R_rad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R_rad的消耗功率，即RF功率為P_radiate＝I­²·R_rad。電阻R_loss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P_loss＝I²·R_loss。如果R_loss>R_rad，那么損耗的功率比實(shí)際發(fā)射的功率大，因此這個天線是低效的。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P_loss和P_rad，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P_rad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R_rad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，可以通過發(fā)射頻率和光速計(jì)算出，其單位為米。由該公式可以計(jì)算出，R_rad的大小在毫歐級的范圍內(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，w為PCB走線的寬度，f為射線頻率， ＝4 ·10^－7， 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的?，F(xiàn)給出一個簡單而相對準(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，對于天線的設(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R_s為回路中的總電阻，不僅包括R_rad和R_loss，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)對于調(diào)整電路板的諧振頻率很重要。

（3） PCB圖的設(shè)計(jì)

在PCB圖（如圖5所示）設(shè)計(jì)時，使天線的線寬為2mm，所圍成的面積盡可能大，在天線上及天線所圍的范圍內(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，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16mm，長度為35mm，三個電容的總阻值約為1.7歐。由前面的公式可以計(jì)算出：R_rad＝0.0573歐，R_loss＝0.289歐，L＝68.3nH，C₁＝2.27pF，C₂＝14.8pF。
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C₁＝12P；C₂＝15P；C₃＝2P。

5 調(diào)整與測試

調(diào)試設(shè)備要求：一個信號發(fā)生器、一個信號分析器和一根接收天線。

測試方法：將信號發(fā)生器的信號頻率調(diào)整到433.92MHz，作為激勵連接在天線上，用示波器從接受天線上獲取接收到的信號，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，觀察在峰值附近時的靈敏度以及哪個電容對其影響最大。

在調(diào)試的過程中，你可能會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你用調(diào)節(jié)工具調(diào)節(jié)的時候，發(fā)射功率隨著調(diào)節(jié)的工具的移開而減小?？朔@個困難的方法是調(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)了無線發(fā)射數(shù)據(jù)的同時具有一下優(yōu)點(diǎn)：
1.  由于天線體積減小，使整個系統(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)方法簡單，成本很低，因此有很大的實(shí)用價值。
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 P222
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5.  王樸中,石長生著   天線原理 清華大學(xué)出版社 北京 1993.8
6. 劉篤仁 PIC軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電子工業(yè)出版社 北京 2005