RU75798U1

RU75798U1 - WIRELESS RECEIVER AND TRANSMISSION DEVICE

Info

Publication number: RU75798U1
Application number: RU2008114434/22U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Григорьевич Милехин; Юрий Борисович Соколов; Владимир Павлович Хилов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью научно-производственная фирма "ПРОМПРИБОР"
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2008-08-20

Abstract

Беспроводное устройство приема и передачи информации может быть использовано в системах телеметрии, автоматизированных системах автоматического учета энергоресурсов, в системах связи и т.д. Устройство содержит расположенные на печатной плате приемопередающую антенну, приемопередатчик и элементы электрических схем устройства, развязанных от цепей питания. Для увеличения радиуса передачи информации приемопередающая антенна выполнена в виде изолированной от земли дипольной структуры, состоящей из двух металлизированных монополей 1 и 2 на печатной плате, соединенных через согласующее устройство 7 с входными - выходными цепями приемопередатчика 3, 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. При таком формировании дипольной структуры антенны практически полностью используется металлизированная площадь печатной платы устройства для излучения - приема, что позволило увеличить зону действия направленного излучения устройства. 2 з.п. ф-лыA wireless device for receiving and transmitting information can be used in telemetry systems, automated systems for automatic metering of energy resources, in communication systems, etc. The device comprises a transceiver antenna located on a printed circuit board, a transceiver, and electrical components of the device isolated from power circuits. To increase the radius of information transmission, the transceiver antenna is made in the form of a dipole structure isolated from the ground, consisting of two metallized monopoles 1 and 2 on a printed circuit board, connected through a matching device 7 to the input and output circuits of the transceiver 3, while a transceiver is located in the area of one of the monopoles and elements of electrical circuits of the device, and the second monopole is made in the form of a solid printed conductor. Monopoles are made in the form of rectangles or a set of galvanically connected rectangles. Matching device is made in the form of a set of segments of printed conductors. With this formation of the dipole structure of the antenna, the metallized area of the printed circuit board of the device for radiation - reception is almost completely used, which allowed to increase the coverage of the directional radiation of the device. 2 s.p. f-ly

Description

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.The invention relates to the field of instrumentation, in particular to wireless devices for receiving and transmitting information, and can be used in telemetry systems, automated systems for automatic metering of energy resources, in communication systems, etc.

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.Wireless devices are known for receiving and transmitting information, in which all electrical components are located on two boards 96 × 59 mm in a moisture-proof housing with lithium batteries inside it. For wireless transmission of information using an external antenna. Such devices are large enough, and the use of a remote antenna leads to the complexity of the device.

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.Wireless devices for receiving and transmitting information include the Bluetooth transceiver, which contains three main units: a digital processor, a control circuit and a radio unit with a PIFA antenna, which is a quarter-wave resonator, one end of which is grounded, and the other open (idle). The antenna is excited at the point where the input impedance of the antenna is close to 50 ohms. These antennas are small (for a frequency of 2.4 GHz, the dimensions of the antenna do not exceed 12.8 × 3.6 × 3.3 mm), which is achieved by reducing its emissivity, narrowband, and criticality of matching with a standard 50 Ohm line impedance transmission.

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: 60×55The closest analogue is an ERFT-type radio transmitter module used for wireless telemetry, which contains a radio transmitter with a microcontroller and a printed antenna located on a single printed circuit board with overall dimensions in mm: 60 × 55

(Приложение 1).(Annex 1).

Основным недостатком таких устройств является малый радиус действия приема - передачи информации (до 20 метров) в связи с низкой излучающей способностью печатной антенны.The main disadvantage of such devices is the small range of reception and transmission of information (up to 20 meters) due to the low emissivity of the printed antenna.

Технической задачей предлагаемого решения является увеличение радиуса передачи информации путем создание простой, компактной по структуре антенны с улучшенной излучающей способностью.The technical task of the proposed solution is to increase the radius of information transmission by creating a simple, compact in structure antenna with improved emissivity.

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.The essence of the technical solution lies in the fact that in a wireless device for receiving and transmitting information, including a transceiver antenna located on a printed circuit board, a transceiver and electrical components of the device, the transceiver antenna is made in the form of a dipole structure isolated from the ground, consisting of two metallized monopoles on a printed circuit board connected through a matching device with the input - output circuits of the transceiver, while in the area of one of the monopoles are located the transceiver sensor elements of the device and electrical circuitry, and the second monopole is in the form of a continuous printed conductor.

Монополи выполнены в виде прямоугольников или набора гальванически соединенных прямоугольников.Monopoles are made in the form of rectangles or a set of galvanically connected rectangles.

Согласующее устройство выполнено в виде набора отрезков печатных проводников.Matching device is made in the form of a set of segments of printed conductors.

На фиг.1-2 представлены варианты выполнения и размещения на печатной плате антенны и основных узлов радиочастотного устройства приема - передачи информации.Figure 1-2 presents the options for implementation and placement on the printed circuit board of the antenna and the main nodes of the radio-frequency device for receiving and transmitting information.

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.Figure 1 presents an example of a device with a simpler electronic circuit. The entire printed circuit board is divided into two metallized sections (two monopoles) 1 and 2. Monopole 1 is made in the form of a continuous rectangular printed conductor. Monopol 2 is made in the form of galvanically connected two rectangles. In the area of monopole 2 on a metallized site placed transceiver 3 (for example, a chip type SS 2500, made in the USA) and electrical circuits that ensure the operation of the device (power amplifier 4, bandpass filter 5, switches 6, etc.). Both monopoles 1 and 2 are connected by a matching device 7 with the input - output circuits of the transceiver. When choosing the carrier frequency of the radio channel 2.4-2.5 GHz, the dimensions of such a printed circuit board of the device do not exceed 30 × 65 mm.

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.Figure 2 presents an example of a device with a more complex electronic circuit requiring a larger monopole 2 for placement on its surface of the transceiver 3 and related electrical circuits (power amplifier 4, bandpass filter 5, switches 6, control and communication elements 8, power supply 9 , opto-isolation 10, etc.). The dimensions of the printed circuit board are 45 × 70 mm.

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.To exclude the influence of power circuits on the formation of the radiation pattern of the antenna dipole structure, the active elements of the device located on the board are powered through an isolation device, for example, through optical isolation 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.The area occupied by monopole 2 (with elements of a transceiver, control circuits, and other passive and reactive elements) is selected from the condition of optimal PCB layout. The area occupied by monopole 1, free from the elements of the device circuits, is selected from the condition of optimal matching of the antenna with the input - output resistance of the transceiver. Depending on the location of the input and output transceiver circuits, matching segments of metallized printed conductors can be used for matching 7. Antenna matching is also selected from structural and technological requirements: the degree of adhesion of printed conductors (pads) to the substrate, the stability of the implementation of the sizes of monopoles along their perimeter.

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.When the antenna is operating for reception, an incident electromagnetic wave excites a dipole structure isolated from the earth (monopoles 1 and 2), the signal from which through the matching circuits 7 is fed to the input circuits of the receiver of the transceiver equipment. When the antenna is transmitting, the signal from the transmitter of the transceiver through the matching circuit 7 is fed to the dipole structure (monopoles 1 and 2), which excites an electromagnetic wave in space.

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.With this formation of the dipole structure of the printed transceiver antenna isolated from the ground, almost completely (up to 80 percent) is used for radiation - reception, the metallized area of the device’s printed circuit board, which allowed to increase the area of the directional radiation of the device for wireless reception - information transfer up to 500 meters or more.

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.This ensures the formation of a symmetric non-directional radiation pattern close to the radiation pattern of a half-wave dipole with a slight inclination of its maximum in the vertical plane in the direction of monopole 2 with a larger area. If the electrical circuit of the device allows the placement of elements with an equal area of monopoles 1 and 2, then this design is optimal for the formation of a symmetrical radiation pattern. In an embodiment of the device with a more developed electrical circuit (Fig. 2), requiring a larger monopole 2 area and the need for transceiving a vertically polarized signal relative to the wide wall of the monopole 2 (printed circuit board), the symmetry axis of the radiation pattern slightly deviates from the vertical, which is practically not affects the performance of the device.

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.Monopoles 1 and 2 can be located on different sides of the printed circuit board, that is, monopole 2 (with an electric circuit) of the antenna is made on the front surface of the substrate, and monopole 1 of the antenna on the reverse surface of the substrate.

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.The thickness of the dielectric substrate, which is the bearing part, does not significantly affect the antenna radiation pattern. Therefore, standard sheet foil dielectrics with a relative permittivity of 2-6 and a thickness of 1.5-3.0 mm are selected as the substrate.

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.The location of the printed circuit board with the antenna and the electrical circuit in the housing of the device provides protection against mechanical stress and damage from climatic influences. The implementation of the monopoles (sites) of the dipole antenna in a printed version on a dielectric substrate increases reliability, provides high technological reproducibility, reduces metal consumption, weight and cost of the product, increases mechanical strength.

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).This technical solution was used in the development of an electric energy meter, structurally made in the form of two blocks - a power sensor and an indication device, the communication between which is carried out remotely. Currently, the meter has passed tests that confirmed the effectiveness of the technical solution (small dimensions, ease of use due to ease of installation, good electrical characteristics for the limited size of the antenna) and is preparing for serial production (Appendix 2).

Claims

1. A wireless device for receiving and transmitting information, including a transceiver antenna located on a printed circuit board, a transceiver and electrical components of the device, characterized in that the transceiver antenna is made in the form of a dipole structure isolated from earth, consisting of two metallized monopoles on a printed circuit board, connected through matching device with input-output circuits of the transceiver, moreover, in the area of one of the monopoles are located the transceiver and electrical elements with device circuit, and the second monopole is made in the form of a solid printed conductor.

2. The device according to claim 1, characterized in that the monopoles are made in the form of rectangles or a set of galvanically connected rectangles.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the matching device is made in the form of a set of segments of printed conductors.