РАДИОМОДЕМ С БАТАРЕЕЙ, ИМЕЮЩЕЙ ФУНКЦИЮ АНТЕННЫ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Данное техническое решение в общем относится к вычислительной технике, а в частности к радиомодемам, содержащим портативные антенны УКВ диапазона.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] В настоящее время при производстве радиомодемов остро стоит вопрос минимизации габаритов изделий, что вынуждает проектировать их антенны в очень ограниченном пространстве. При этом падает КПД антенн, сужается рабочий диапазон частот. Сужение рабочего диапазона частот усложняет повторяемость характеристик антенн при массовом производстве и их реализации в виде РСВ структур.
[003] В существующих аналогичных решениях в уровне техники обычно антенна для радиомодема выполняется в РСВ виде (медные полоски на диэлектрике) или подключается внешняя антенна. Близкое расположение проводников антенны к диэлектрику понижает КПД антенны из-за потерь на переполяризацию диэлектрика. [004] За ближайший аналог может быть принято техническое решение, описанное в патенте № RU 59918 «РАДИОМОДЕМ» (дата приоритета: 24.08.2006, правообладатель: ЗАО «Корпоративный институт электротехнического приборостроения «Энергомера»). Данный радиомодем содержит печатную плату с управляющим микроконтроллером, радиопередатчик, цифровые интерфейсы RS-232 и RS-485, стабилизатор питания микроконтроллера, стабилизатор питания радиопередатчика, разъем подключения антенны, светодиодный индикатор режимов работы.
[005] Однако данный прототип обладает всеми недостатками, перечисленными выше и распространенными в уровне техники, либо требует подключения внешней антенны.
СУЩНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ
[006] Данное техническое решение направлено на устранение недостатков, свойственных решениям, известным из уровня техники.
[007] Технической задачей или технической проблемой, решаемой в данном техническом решении, является реализация элемента питания в радиомодеме дополнительно в качестве элемента антенны.
[008] Техническим результатом, достигаемым при решении вышеуказанной задачи, является обеспечение минимизации габаритов радиомодема за счет придания элементу питания второй функции в электронной схеме радиомодема - элемента преобразования высокочастотных токов в электромагнитную энергию, аналогично антенне. Таким образом пропадает необходимость выделять объем пространства в радиомодеме для отдельной антенны.
[009] Дополнительным техническим результатом является повышение КПД работы устройства за счет уменьшения потерь электромагнитной энергии в диэлектрике, вследствие чего повышается также энергетика канала радиосвязи.
[0010] Данный технический результат достигается благодаря реализации радиомодема, в корпусе которого располагается печатная плата, на которой расположен микроконтроллер, приемопередатчик и электронный коммутатор; элемент питания, выполненный с возможностью осуществления функции антенны. Печатная плата также содержит набор заземляющих проводников печатной платы, образующих противовесную часть элемента питания, как части антенны; причем минусовой вывод элемента питания соединен с заземляющим проводником печатной платы, а плюсовой с выходом усилителя мощности радиосигнала.
[0011] В некоторых вариантах реализации устройства элемент питания используется для выполнения функции элемента антенны, выполненной в виде несимметричного петлевого вибратора Пистолькорса или шлейфовой антенны.
[0012] В некоторых вариантах реализации устройства петлевой вибратор является несимметричным, имеющим входное сопротивление 160 Ом.
[0013] В некоторых вариантах реализации устройства несимметричный петлевой вибратор имеет разрез, к которому подсоединяется фидер.
[0014] В некоторых вариантах реализации устройства элементом питания является одиночный гальванический элемент.
[0015] В некоторых вариантах реализации устройства элемент питания, использующийся для выполнения функции элемента антенны, имеет сопротивление потерь излучающей структуры около 0,02 Ом и входное сопротивление 50 Ом.
[0016] В некоторых вариантах реализации устройства микроконтроллер принадлежит к семейству STM32.
[0017] В некоторых вариантах реализации устройства развязка цепей постоянного тока и переменного тока осуществляется LC-элементами.
[0018] В некоторых вариантах реализации устройства микроконтроллер, переключатель и трансивер соединены вместе посредством шины питания.
[0019] В некоторых вариантах реализации устройства радиомодемом является устройство для передачи и приема радиосигнала между двумя устройствами.
[0020] В некоторых вариантах реализации устройства радиомодем является самостоятельным устройством или встроен в другое устройство посредством сборочной операции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0021] Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:
[0022] На Фиг. 1 показан вариант реализации устройства, содержащего печатную плату и элемент питания радиомодема, выполняющего функцию элемента антенны, выполненной в виде несимметричного петлевого вибратора Пистолькорса.
[0023] На Фиг. 2 показана показана блок-схема радиомодема, содержащего печатную плату и элемент питания радиомодема, выполняющего функцию элемента антенны, выполненной в виде несимметричного петлевого вибратора Пистолькорса.
[0024] На Фиг. 3 показан вариант реализации настоящего технического решения, в котором радиомодуль с печатной платой и элементом питания встраивается в измерительный прибор, например, счетчик воды.
[0025] На Фиг. 4 показан вариант реализации технического решения, в котором элемент питания радиомодема, выполняет функцию элемента антенны, выполненной в виде шлейфовой антенны, в качестве проводников которой использован этот элемент питания.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0026] Техническое решение может быть реализовано как компонент распределенной компьютерной системы (централизованной или децентрализованной), компоненты которой являются облачными или локальными серверами, измерительными приборами, маршрутизаторами и т.д., не ограничиваясь.
[0027] В данном решении под системой подразумевается компьютерная система или автоматизированная система (АС), ЭВМ (электронно-вычислительная машина), ЧПУ (числовое программное управление), ПЛК (программируемый логический контроллер), компьютеризированная система управления и любые другие устройства, способные выполнять заданную, четко определенную последовательность вычислительных операций (действий, инструкций).
[0028] Антенна - устройство, предназначенное для излучения или приема радиоволн.
[0029] Техническое решение состоит из печатной платы с электронными компонентами схемы радиомодема, элемента питания и схемы развязки цепей высокой частоты с цепями питания постоянного тока. С точки зрения антенной техники печатная плата радиомодема и элемент питания образуют излучатель электромагнитной энергии, как показано на Фиг. 1. Для его эффективной работы набор заземляющих проводников платы (англ. «ground plane») образуют противовесную часть антенны, а элемент питания - несимметричный петлевой вибратор Пистолькорса. Конструкция петлевого вибратора Пистолькорса представляет собой систему из двух параллельных линейных вибраторов, образующих петлю, как показано на Фиг. 2. Эти вибраторы располагаются на небольшом относительно длины волны расстоянии друг от друга и образуют замкнутую петлю. Один из вибраторов в центре имеет разрез, к которому подсоединяется фидер. Середина другого вибратора является точкой нулевого потенциала, что позволяет в этой точке крепить вибратор к металлической траверсе без изоляции. Токи обоих вибраторов совпадают по направлению, и поэтому такая антенна эквивалентна одному вибратору с удвоенным током. Достоинством петлевого вибратора является более высокое входное сопротивление и возможность его регулировки путем соответствующего подбора радиуса проводников. Входное сопротивление петлевого вибратора Пистолькорса примерно в четыре раза больше, чем у обычного вибратора, и составляет около 320 Ом в свободном пространстве. В данном техническом решении в конкретном варианте реализации может быть использован несимметричный вариант вибратора, имеющий входное сопротивление 160 Ом. А поскольку параллельные проводники вибратора имеют разный диаметр, то в радиомодеме реализовано входное сопротивление 50 Ом, которое хорошо согласуется с выходным сопротивлением трансивера.
[0030] С точки зрения низкочастотной электронной техники, схема развязки обеспечивает работу батареи, как элемента питания радиомодема, например, с напряжением 3 или 3.6 Вольта. В конкретном варианте реализации в качестве элемента питания могут использоваться одиночные гальванические элементы (например, литиевые) типоразмера D, С, А, АА, 1/2АА, AAA, не ограничиваясь. В других вариантах реализации могут использоваться любые другие типы элементов питания в металлической оболочке.
[0031 ] В данном техническом решении предлагается, кроме обеспечения элементом питания электропитания радиомодема, получить функцию преобразования переменных токов в электромагнитную энергию (и обратно), т.е. использовать его и в качестве элемента антенны радиомодема. На Фиг. 2 представлена блок-схема радиомодема. Цифровая информация от тестируемого объекта, которым может быть электросчетчик (информацией являются показания электросчетчика), поступает в микроконтроллер DD1 (STM32G071) и после обработки направляется в трансивер (приемопередатчик), выполненный на микросхеме D1 (АХ5043), с которого промодулированный высокочастотный радиосигнал на частоте 868 МГц поступает на электронный коммутатор DA1 или переключатель (MASWSS0115TR), который необходим для варианта радиомодема с обратной связью. Далее радиосигнал поступает в антенну, функцию которой выполняет элемент питания (гальванический элемент). Переменный высокочастотный ток протекающий по проводникам элемента питания вызывает переменное магнитное поле, которое вызывает вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает магнитное поле. Таким образом возникает электромагнитное поле, образующее электромагнитную волну. У элемента питания большая собственная емкость (около 8 нФ) и поэтому переменным токам она оказывает незначительное сопротивление (это могут быть сотые доли Ом). В конкретном варианте реализации для используемого диапазона рабочих частот 868 МГц сопротивление составляет около 0,02 Ом. Эта величина определяет сопротивление потерь антенны, которая при входном сопротивлении антенны 50 Ом не существенно влияет на КПД антенны в целом. Развязка цепей постоянного тока и переменного тока осуществляется LC-элементами. Минусовой вывод элемента питания соединен с заземляющим проводником печатной платы радиомодема, плюсовой с выходом усилителя мощности радиосигнала. Развязку цепей питания постоянного тока от ВЧ цепей обеспечивает чип индуктивности (дроссель), сопротивление которого для постоянного тока составляет около 0,3 Ома, а для переменных токов около 1000 Ом. Дроссель с блокировочными конденсаторами шины питания радиомодема образуют LC-фильтр. Дроссель необходим в электрической цепи в том случае, когда необходимо подавить переменную составляющую тока (например, помехи), существенно снизить пульсации в сети, а также ограничить или разделить в соответствии с поставленной задачей различные частотные сигналы (изоляция или развязка).
[0032] Трансивер работает в диапазоне от 70 до 1050 МГц с чувствительностью -126 дБм на 1200 бод и 45 дБ подавления соседнего канала, потребляющий 9,5 мА в режиме работы на прием. Микросхема имеет уникальную комбинацию параметров: высокая чувствительность, сверхнизкое энергопотребление, высокая избирательность. Для работы в узкополосном режиме требуется термокомпенсированный тактовый генератор (16 МГц для большинства диапазонов), но приемопередатчик может работать и с обычным кварцем, если он обеспечивает требования по стабильности частоты. Данный приемопередатчик рассчитан на работу от батарейки и поддерживает FSK, MSK, 4-FSK, GFSK, GMSK, AFSK и ASK модуляции.
[0033] Микроконтроллер состоит из ядра процессора, статической RAM-памяти, флеш-памяти, отладочного интерфейса и различных периферийных устройств. Микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ.
[0034] Различные компоненты устройства, например, микроконтроллер, переключатель и трансивер могут быть соединены вместе посредством системы шин, которая может включать в себя шину питания, шину сигнала управления и шину сигнала состояния помимо шины данных. Тем не менее, для простоты различные шины проиллюстрированы на Фиг. 2 как шина питания.
[0035] Радиомодем содержит корпус, внутри которого посредством операций сочленения располагаются все компоненты устройства. Корпус может иметь две конфигурации - для крытых помещений и наружного использования. Конфигурация для крытых помещений предназначена для использования в защищенных от непогоды укрытиях. Конфигурация для наружного использования представляет собой блок контроля параметров окружающей среды (ECU) с герметичными внешними разъемами, допускающими установку корпуса при любых погодных условиях.
[0036] Такое решение избавляет от необходимости выделять в радиомодеме специальное место для размещения антенны, повышает КПД антенны и расширяет рабочую полосу частот по сравнению с ее исполнением в виде полосковой структуры на диэлектрической подложке.
[0037] В некоторых вариантах реализации радиомодемом является устройство для передачи и приема радиосигнала между двумя устройствами.
[0038] Радиомодем является самостоятельным устройством или встроен в другое устройство сборочной операцией.
[0039] Данное техническое решение было реализовано и испытано с электросчетчиком Меркурий 200.02 типа Меркурий 200 (свидетельство №29209/2 об утверждении типа средств измерений). Также, в одном из вариантов реализации радиомодем встроен в счетчик воды типа Аква (свидетельство №66941 об утверждении типа средств измерений), как показано на Фиг. 3, а также может быть встроен в другие типы приборов, не ограничиваясь. Результаты испытаний с базовыми станциями сети телематики положительные.
[0040] В некоторых вариантах реализации радиомодема, например, при использовании в счетчике воды типа Аква (свидетельство №66941 об утверждении типа средств измерений), может быть применена архитектура шлейфовой антенны, в качестве проводников которой использован элемент питания типоразмера АА, как показано на Фиг. 4. Шлейфовая антенна описана, к примеру, в источнике информации [1]. Иногда в технической литературе такие антенны называют низкорасположенными или поручневыми.
[0041] Шлейфовая антенна включает в себя основной вертикальный провод, возбуждаемый генератором. Второй вертикальный провод заземлен в основании на плату радиомодема и горизонтальный провод, соединенный с вертикальными гальваническими контактами. Длина горизонтального провода, обычно, гораздо больше вертикальных проводов, т.е. длина антенны много больше высоты.
[0042] В данном техническом решении роль вертикальных проводов играют гибкие выводы батареи, а горизонтального - корпус батареи. Схема развязки цепей СВЧ и питания постоянным током аналогична схеме с вибратором Пистолькорса.
[0043] В общем случае, специалисту в уровне техники очевидно, что в данном техническом решении может быть использована разная архитектура антенны, известная из уровня техники, причем конкретный тип не влияет на достижение технического результата.
[0044] Данные и сигналы из внешнего устройства, например, электрического счетчика могут быть получены радиомодемом с помощью любой из множества различных технологий и методик. Например, данные, инструкции, команды, информация, сигналы и т.п., которые могут упоминаться по всему описанию выше, могут быть представлены напряжениями, токами, электромагнитными волнами, магнитными полями или частицами, оптическими полями или частицами либо любой комбинацией вышеозначенного.
[0045] Различные иллюстративные логические блоки, модули и схемы, описанные в связи с вариантами осуществления, раскрытыми в материалах настоящей заявки, могут быть реализованы или выполнены с помощью процессора общего назначения, цифрового сигнального процессора (DSP), специализированной интегральной схемы (ASIC), программируемой вентильной матрицы (FPGA) или другого программируемого логического устройства, дискретной вентильной или транзисторной логики, дискретных компонентов аппаратных средств или любого их сочетания, спроектированного, чтобы выполнять функции, описанные в материалах настоящей заявки. Процессором общего назначения может быть микропроцессор, но в альтернативном варианте процессором может быть любой традиционный процессор, контроллер, микроконтроллер или конечный автомат. Процессор также может быть реализован как комбинация вычислительных устройств, например, комбинация DSP и микропроцессора, множество микропроцессоров, один или более микропроцессоры вместе с ядром DSP либо любая другая подобная конфигурация.
[0046] Этапы работ, описанные в связи с раскрытыми в данном документе вариантами осуществления, могут быть реализованы непосредственно в аппаратных средствах, в программном модуле, приводимом в исполнение процессором микроконтроллера, или в их сочетании. Программный модуль может находиться в любой форме носителя хранения, который известен в области техники. Некоторые примеры носителей хранения, которые могут быть использованы, включают в себя RAM-память, флеш-память, ROM-память, EPROM-память, EEPROM-память, регистры, съемный диск и т.д. Программный модуль может содержать одну инструкцию или много инструкций и может быть распределен по нескольким различным сегментам кода, среди различных программ и среди множества носителей хранения. Примерный носитель хранения может быть связан с процессором так, что процессор может считывать информацию с и записывать информацию на носитель хранения. В альтернативном варианте носитель хранения данных может быть встроен в процессор.
[0047] Таким образом, выше было показано, что все элементы устройства находятся в конструктивной и функциональной связи между собой.
[0048] Настоящее подробное описание составлено с приведением различных не имеющих ограничительного и исчерпывающего характера вариантов осуществления. В то же время, специалистам, имеющим средний уровень компетентности в рассматриваемой области техники, очевидно, что различные замены, модификации или сочетания любых раскрытых здесь вариантов осуществления (в том числе частично) могут быть воспроизведены в пределах объема настоящего технического решения. Таким образом, подразумевается и понимается, что настоящее описание технического решения включает дополнительные варианты осуществления, суть которых не изложена здесь в явно выраженной форме. Такие варианты осуществления могут быть получены путем, например, сочетания, модификации или преобразования каких-либо действий, компонентов, элементов, свойств, аспектов, характеристик, ограничений и пр., относящихся к приведенным здесь и не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
[0049] 1. Резников Г.Б. Антенны летательных аппаратов. - Советское радио, 1967.