基于rfPIC無(wú)線(xiàn)發(fā)射器件的環(huán)形天線(xiàn)的設計

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(xiàn)的設計方法及其調試技術(shù)。通過(guò)設計rfPIC12F675的天線(xiàn)原理圖和PCB板圖，闡述了PCB板上環(huán)形天線(xiàn)的設計方法、參數確定途徑、調試方法和設計PCB板時(shí)應該注意的問(wèn)題。試驗表明，該設計使天線(xiàn)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(zhù)優(yōu)點(diǎn)。
主題詞：環(huán)形天線(xiàn)； rfPIC；無(wú)線(xiàn)通信； RF

1 引言

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展和應用，低功耗、便攜式微小型無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品也日益受到消費者的青睞。為了能使微小型的無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品收發(fā)數據效率更高，提高產(chǎn)品的實(shí)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(xiàn)。天線(xiàn)是將無(wú)線(xiàn)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(gè)重要的無(wú)線(xiàn)電設備。

目前，有許多柱式天線(xiàn)或其他體積較大的外置天線(xiàn)。為了在保證傳輸效率的情況下，減小天線(xiàn)的體積和降低功耗，將天線(xiàn)設計在PCB板上，以適合于低功耗、便攜式的無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)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(jiǎn)化了無(wú)線(xiàn)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(shí)提高了系統的電磁兼容能力和可靠性。該系統采用的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(jiǎn)指令系統（RISC）、哈佛總線(xiàn)結構和兩級流水線(xiàn)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(xiàn)工作原理

環(huán)形天線(xiàn)和人體非常相似，有普通的單極或多級天線(xiàn)功能。再加上小型環(huán)形天線(xiàn)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(xiàn)。典型的環(huán)形天線(xiàn)由電路板上的銅走線(xiàn)組成的電回路構成，也可能是一段制作成環(huán)形的導線(xiàn)。其等效電路相當于兩個(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(xiàn)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。假設流過(guò)天線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)是低效的。天線(xiàn)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(xiàn)的設計幾乎無(wú)法控制P_loss和P_rad，因為P_loss是由制作天線(xiàn)的導體的導電能力和導線(xiàn)的大小決定的，而P_rad是由天線(xiàn)所圍成的面積大小決定的。

3 參數值的計算

（1） 電阻值的計算

環(huán)形天線(xiàn)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(xiàn)所圍成的面積，單位為米； 為無(wú)線(xiàn)電的波長(cháng)，可以通過(guò)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(xiàn)的損耗電阻大小的公式為：

式中l為環(huán)形天線(xiàn)的周長(cháng)，w為PCB走線(xiàn)的寬度，f為射線(xiàn)頻率， ＝4 10^－7， 為PCB板走線(xiàn)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(gè)元器件就是環(huán)形天線(xiàn)的電感L。天線(xiàn)的電感性主要是磁效應而產(chǎn)生的結果。通常，即使是簡(jiǎn)單形狀的天線(xiàn)的電感系數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(cháng)的?，F給出一個(gè)簡(jiǎn)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(wú)論ASK還是FSK，對于天線(xiàn)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(xiàn)達到發(fā)射電磁波的目的，必須對其參數進(jìn)行匹配，使天線(xiàn)回路發(fā)生震蕩。在回路中加入電容，使得天線(xiàn)回路阻抗值最小。在這個(gè)諧振電路（如圖2所示）中，電容C的值的計算公式為：

計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，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(xiàn)達到更好的效果，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遠大于C₁，在本設計中，C₁用來(lái)調節共振頻率，而C₂調節天線(xiàn)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(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(shí)，使天線(xiàn)的線(xiàn)寬為2mm，所圍成的面積盡可能大，在天線(xiàn)上及天線(xiàn)所圍的范圍內不要放置元器件，否則其參數將很難計算出來(lái)。

在設計電路板其他部分時(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） 參數值的計算

當電路板設計結束之后，確定相應的參數值。在本設計中，天線(xiàn)的走線(xiàn)寬度為2mm，寬度為16mm，長(cháng)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(shí)際的值高15％，而使用的元器件也有5％的誤差。最后確定參數值為C₁＝12P；C₂＝15P；C₃＝2P。

5 調整與測試

調試設備要求：一個(gè)信號發(fā)生器、一個(gè)信號分析器和一根接收天線(xiàn)。

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(xiàn)上，用示波器從接受天線(xiàn)上獲取接收到的信號，以此來(lái)觀(guān)察天線(xiàn)發(fā)射的有效功率。調節匹配電容，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(xiàn)的性能，并使輸出功率達到最大，觀(guān)察在峰值附近時(shí)的靈敏度以及哪個(gè)電容對其影響最大。

在調試的過(guò)程中，你可能會(huì )發(fā)現，當你用調節工具調節的時(shí)候，發(fā)射功率隨著(zhù)調節的工具的移開(kāi)而減小?？朔@個(gè)困難的方法是調節電容使發(fā)射功率通過(guò)峰值并記錄峰值位置，然后繼續調整電容，使輸出功率達到峰值的另外一側，然后移走調試工具，觀(guān)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(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(xiàn)設計技術(shù)和調試技術(shù)。系統實(shí)現了無(wú)線(xiàn)發(fā)射數據的同時(shí)具有一下優(yōu)點(diǎn)：

1.由于天線(xiàn)體積減小，使整個(gè)系統的體積減小，可以減小無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品的體積，也可以使其外表美觀(guān)。

2. 該天線(xiàn)調試技術(shù)可以使整個(gè)系統的發(fā)射效率達到最大，從而最大限度地節約能量。

3.該天線(xiàn)設計方法簡(jiǎn)單，成本很低，因此有很大的實(shí)用價(jià)值。

實(shí)際應用表明，該天線(xiàn)有成本低，效率高，穿透性好和體積小的等顯著(zhù)特點(diǎn)。

7 參考文獻

1 劉建新,譚平 基于PIC18F458的車(chē)載CAN總線(xiàn)儀表系統 微計算機信息 2006年第2-2期 P222
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