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

摘要：本文基于MICROCHIP公司生產(chǎn)的rfPIC12F675芯片，提出了一種微小型天線的設(shè)計(jì)方法及其調(diào)試技術(shù)。通過(guò)設(shè)計(jì)rfPIC12F675的天線原理圖和PCB板圖，闡述了PCB板上環(huán)形天線的設(shè)計(jì)方法、參數(shù)確定途徑、調(diào)試方法和設(shè)計(jì)PCB板時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題。試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)使天線能夠有效地將信號(hào)發(fā)射出去，并且具有體積小，功耗低和效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。
主題詞：環(huán)形天線； rfPIC；無(wú)線通信； RF

1 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，低功耗、便攜式微小型無(wú)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(wú)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(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率由電磁波的形式輻射出去的一個(gè)重要的無(wú)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(wú)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(wú)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)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）。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(guò)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＝I­²R_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＝I²R_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(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(wú)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(wú)線電的波長(zhǎng)，可以通過(guò)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(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 10^－7， 為PCB板走線的電導(dǎo)率，典型的銅電導(dǎo)率為5.710⁷S/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。現(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(wú)論ASK還是FSK，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(kāi)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(lái)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(lái)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。

（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(lái)。

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(guò)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(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：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(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(lái)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(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(guò)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(kāi)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(guò)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(yǔ)

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(wú)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(wú)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)

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