基于rfPIC無線發(fā)射器件的環(huán)形天線的設計

摘要：本文基于MICROCHIP公司生產的rfPIC12F675芯片，提出了一種微小型天線的設計方法及其調試技術。通過設計rfPIC12F675的天線原理圖和PCB板圖，闡述了PCB板上環(huán)形天線的設計方法、參數(shù)確定途徑、調試方法和設計PCB板時應該注意的問題。試驗表明，該設計使天線能夠有效地將信號發(fā)射出去，并且具有體積小，功耗低和效率高等顯著優(yōu)點。
主題詞：環(huán)形天線； rfPIC；無線通信； RF

1 引言

隨著無線通信技術的發(fā)展和應用，低功耗、便攜式微小型無線通信產品也日益受到消費者的青睞。為了能使微小型的無線通信產品收發(fā)數(shù)據(jù)效率更高，提高產品的實用性和可靠性，設計了一種針對于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，將天線設計在PCB板上，以適合于低功耗、便攜式的無線通信產品的需求。該設計基于MICROCHIP公司的發(fā)射芯片，其內部集成了壓控晶振VCO和鎖相環(huán)PLL等電路，簡化了無線通信中其他電路的設計，降低整體設計難度和設計成本，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10dB。此外⁽¹⁾，該單片機采用精簡指令系統(tǒng)（RISC）、哈佛總線結構和兩級流水線取指令方式，對惡劣的環(huán)境具有很強的適應性。

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成，也可能是一段制作成環(huán)形的導線。其等效電路相當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＝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。實際上，環(huán)形天線的設計幾乎無法控制P_loss和P_rad，因為P_loss是由制作天線的導體的導電能力和導線的大小決定的，而P_rad是由天線所圍成的面積大小決定的。

3 參數(shù)值的計算

（1） 電阻值的計算

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)射頻率和光速計算出，其單位為米。由該公式可以計算出，R_rad的大小在毫歐級的范圍內。

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板走線的電導率，典型的銅電導率為5.710⁷S/m。

（2） 電感值的計算

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而產生的結果。通常，即使是簡單形狀的天線的電感系數(shù)計算公式也是很難得到的。目前，計算導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確的公式： 。

4 電路設計

本設計使用的頻率為是最常用的433.92 MHz。在調試方式上，無論ASK還是FSK，對于天線的設計方法是相同的，本設計采用的是ASK方式。采用的芯片是rfPIC12F675。

（1） 阻抗匹配

為了使天線達到發(fā)射電磁波的目的，必須對其參數(shù)進行匹配，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的值的計算公式為：

計算該諧振電路的品質因素的公式為：

式中R_s為回路中的總電阻，不僅包括R_rad和R_loss，而且還包括實際電路中電容產生的電阻效應，一般的陶瓷電容在UHF頻段范圍內的電阻值為0.2歐到0.8歐之間。

為了使天線達到更好的效果，通常把電容C拆開為兩個電容C₁和C₂，如圖3所示。通常，C₂遠大于C₁，在本設計中，C₁用來調節(jié)共振頻率，而C₂調節(jié)天線的阻抗匹配。

（2） 原理圖設計

原理圖的設計（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。這點對于調整電路板的諧振頻率很重要。

（3） PCB圖的設計

在PCB圖（如圖5所示）設計時，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不要放置元器件，否則其參數(shù)將很難計算出來。

在設計電路板其他部分時，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)值的計算

當電路板設計結束之后，確定相應的參數(shù)值。在本設計中，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算出：R_rad＝0.0573歐，R_loss＝0.289歐，L＝68.3nH，C₁＝2.27pF，C₂＝14.8pF。

試驗表明這些電容值比實際的值高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 調整與測試

調試設備要求：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。調節(jié)匹配電容，以使獲取功率最大。

調整方法：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。

在調試的過程中，你可能會發(fā)現(xiàn)，當你用調節(jié)工具調節(jié)的時候，發(fā)射功率隨著調節(jié)的工具的移開而減小?？朔@個困難的方法是調節(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)調整電容，使輸出功率達到峰值的另外一側，然后移走調試工具，觀察輸出功率的變化情況。如果輸出功率變小，則調整電容，使輸出功率達到峰值的另外一側，然后移走調試工具。反復試驗，最終得到最大值。調試結果如圖6所示。

6 結束語

本文的創(chuàng)新在于基于MICROCHIP公司生產的rfPIC12F675芯片，提出了一種微小型天線設計技術和調試技術。系統(tǒng)實現(xiàn)了無線發(fā)射數(shù)據(jù)的同時具有一下優(yōu)點：

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品的體積，也可以使其外表美觀。

2. 該天線調試技術可以使整個系統(tǒng)的發(fā)射效率達到最大，從而最大限度地節(jié)約能量。

3.該天線設計方法簡單，成本很低，因此有很大的實用價值。

實際應用表明，該天線有成本低，效率高，穿透性好和體積小的等顯著特點。

7 參考文獻

1 劉建新,譚平 基于PIC18F458的車載CAN總線儀表系統(tǒng) 微計算機信息 2006年第2-2期 P222
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4. Frederick W. Grover, Introduce Calculations Working Formulas and Tables Dover Publications Inc. 1946
5. 王樸中,石長生著 天線原理 清華大學出版社 北京 1993.8
6. 劉篤仁 PIC軟硬件系統(tǒng)設計 電子工業(yè)出版社 北京 2005