БЕСПРОВОДНОЕ УСТРОЙСТВО ПРИЕМА И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к беспроводным устройствам приема и передачи информации, и может быть использовано в системах телеметрии, автоматизированных системах автоматического учета энергоресурсов, в системах связи и т.д.
Известны беспроводные устройства приема - передачи информации, в которых все электрические компоненты размещены на двух платах размером 96×59 мм во влагостойком корпусе с литиевыми батареями внутри него. Для беспроводной передачи информации используют выносную антенну. Такие устройства имеют достаточно большие габариты, а использование выносной антенны приводит к усложнению устройства.
К беспроводным устройствам приема-передачи информации можно отнести приемопередатчик Bluetooth, который содержит три основных блока: цифровой процессор, схему управления и радиоблок с антенной PIFA, которая представляет собой четвертьволновый резонатор, один конец которого заземлен, а второй открыт (холостой ход). Антенна возбуждается в точке, где входное сопротивление антенны близко к 50 Ом. Данные антенны имеют малые размеры (для частоты 2,4 ГГц габариты антенны не превышают 12,8×3,6×3,3 мм), что достигается за счет уменьшения ее излучающей способности, узкополосности и критичности согласования со стандартным 50 Ом волновым сопротивлением линии передачи.
Наиболее близким аналогом является модуль радиопередатчика типа ERFT, используемый для беспроводной телеметрии, который содержит радиопередатчик с микроконтроллером и печатную антенну, расположенные на единой печатной плате с габаритными размерами в мм: 60×55
(Приложение 1).
Основным недостатком таких устройств является малый радиус действия приема - передачи информации (до 20 метров) в связи с низкой излучающей способностью печатной антенны.
Технической задачей предлагаемого решения является увеличение радиуса передачи информации путем создание простой, компактной по структуре антенны с улучшенной излучающей способностью.
Сущность технического решения заключается в том, что в беспроводном устройстве приема и передачи информации, включающем расположенные на печатной плате приемопередающую антенну, приемопередатчик и элементы электрических схем устройства, приемопередающая антенна выполнена в виде изолированной от земли дипольной структуры, состоящей из двух металлизированных монополей на печатной плате, соединенных через согласующее устройство с входными - выходными цепями приемопередатчика, при этом в зоне одного из монополей расположены приемопередатчик и элементы электрических схем устройства, а второй монополь выполнен в виде сплошного печатного проводника.
Монополи выполнены в виде прямоугольников или набора гальванически соединенных прямоугольников.
Согласующее устройство выполнено в виде набора отрезков печатных проводников.
На фиг.1-2 представлены варианты выполнения и размещения на печатной плате антенны и основных узлов радиочастотного устройства приема - передачи информации.
На фиг.1 представлен пример устройства с более простой электронной схемой. Вся печатная плата разделена на два металлизированных участка (два монополя) 1 и 2. Монополь 1 выполнен в виде сплошного прямоугольного печатного проводника. Монополь 2 выполнен в виде соединенных гальванически двух прямоугольников. В зоне монополя 2 на металлизированной площадке размещены приемопередатчик 3 (например, микросхема типа СС 2500, производства США) и электрические схемы, обеспечивающие функционирование устройства (усилитель мощности 4, полосовой фильтр 5, коммутаторов 6 и т.д.). Оба монополя 1 и 2 соединены согласующим устройством 7 с входными - выходными цепями приемопередатчика. При выборе несущей частоты радиоканала 2.4-2.5 ГГц габариты такой печатной платы устройства не превышают 30×65 мм.
На фиг.2 представлен пример устройства с более сложной электронной схемой, требующей большей площади монополя 2 для размещения на его поверхности приемопередатчика 3 и сопутствующих электрических схем (усилитель мощности 4, полосовой фильтр 5, коммутаторов 6, элементов управления и связи 8, источника питания 9, опторазвязки 10 и т.д.). Размеры печатной платы составляют 45×70 мм.
Для исключения влияния цепей питания на формирование диаграммы направленности дипольной структуры антенны питание активных элементов устройства, расположенных на плате, осуществляется через устройство развязки, например через опторазвязку 10.
Площадь, занимаемая монополем 2 (с элементами приемопередатчика, схем управления и другими пассивными и реактивными элементами), выбирается из условия оптимальной разводки печатной платы. Площадь, занимаемая монополем 1, свободная от элементов схем устройства, выбирается из условия оптимального согласования антенны с входным - выходным сопротивлением приемопередатчика. В зависимости от места расположения входных - выходных цепей приемопередатчика для согласования могут быть использованы согласующие отрезки металлизированных печатных проводников 7. Согласование антенны выбирается и из конструктивно-технологических требований: степень адгезии печатных проводников (площадок) к подложке, стабильность реализации размеров монополей по их периметру.
При работе антенны на прием падающая электромагнитная волна возбуждает изолированную от земли дипольную структуру (монополи 1 и 2), сигнал с которой через согласующие цепи 7 поступает на входные цепи приемника приемо-передающей аппаратуры. При работе антенны на передачу сигнал от передатчика приемо-передающей аппаратуры через согласующие цепи 7 поступает на дипольную структуру (монополи 1 и 2), которая возбуждает в пространстве электромагнитную волну.
При таком формировании изолированной от земли дипольной структуры печатной приемопередающей антенны практически полностью (до 80 процентов) используется для излучения - приема металлизированная площадь печатной платы устройства, что позволило увеличить зону действия направленного излучения устройства для беспроводного приема - передачи информации до 500 метров и более.
При этом обеспечивается формирование симметричной ненаправленной диаграммы направленности близкой к диаграмме направленности полуволнового диполя при небольшом наклоне ее максимума в вертикальной плоскости в направлении к монополю 2 с большей площадью. Если электрическая схема устройства позволяет размещение элементов при равной площади монополей 1 и 2, то данное конструктивное исполнение является оптимальным для формирования симметричной диаграммы направленности. В варианте выполнения устройства с более развитой электрической схемой (фиг.2), требующей большей площади монополя 2 и необходимости приемо-передачи вертикально поляризованного сигнала относительно широкой стенки монополя 2 (печатной платы), ось симметрии диаграммы направленности незначительно отклоняется от вертикали, что практически не влияет на эффективность работы устройства.
Монополи 1 и 2 могут быть расположены на разных сторонах печатной платы, то есть монополь 2 (с электрической схемой) антенны выполнен на лицевой поверхности подложки, а монополь 1 антенны на обратной поверхности подложки.
Толщина диэлектрической подложки, являющейся несущей деталью, не влияет существенно на диаграмму направленности антенны. Поэтому в качестве подложки выбираются стандартные листовые фольгированные диэлектрики с относительной диэлектрической проницаемостью 2-6 и толщиной 1,5-3,0 мм.
Расположение печатной платы с антенной и электрической схемой в корпусе устройства позволяет обеспечить защиту от механических воздействий и повреждений от климатических воздействий. Выполнение монополей (площадок) дипольной антенны в печатном исполнении на диэлектрической подложке увеличивает надежность, обеспечивает высокую технологическую воспроизводимость, уменьшает металлоемкость, вес и стоимость изделия, повышает механическую прочность.
Данное техническое решение было использовано при разработке счетчика электрической энергии, конструктивно выполненного в виде двух блоков - датчика мощности и устройства индикации, связь между которыми осуществляется дистанционно. В настоящее время счетчик прошел испытания, которые подтвердили эффективность технического решения (небольшие габариты, удобство в применении ввиду простоты установки, хорошие электрические характеристики для ограниченных размеров антенны) и готовится к серийному производству (Приложение 2).