如何在家中使用sub-GHz射频发射器最大化短距离设备的无线范围

我们生活在一个无线世界中，从我们的短程无线电玩具到我们的车库开门器，它们成为我们自己的个人物联网，环绕着我们整个家。这些无线电工具和玩具通过短距离无线发射器和接收器连接我们的生活。这些应用中的每一个都为无线电设计人员带来了挑战，从最大化连接距离到应对 Wi-Fi 或蓝牙监管丛林(图 1)。

图 1：无线家庭或楼宇系统在与所有功能通信时变成了无线电丛林。

免许可的超高频(UHF) sub-GHz 短程设备 (SRD) 是这些无线家庭链路的重要组成部分。为了与社区保持同步，家庭中的 SRD 数量正在迅速增加。然而，SRD 家庭系统遇到与其通信范围相关的几个挑战，例如正确考虑平地/多路径传输现象、发射器功率和接收器灵敏度。

本文重点介绍 SRD 传输模块，提供有用的环境传输见解和提高传输功率的技术，以及降低电源电流的技巧。

UHF sub-GHz SRD 网络

短距离无线电设备可以是单向或双向无线电发射器。SRD 发射器和接收器的频段通常在 sub-GHz 范围内，低于竞争无线监管技术的频段，例如 Wi-Fi(900 MHz、2.4 GHz、5.9 GHz 等)和蓝牙(2.4 GHz 至 2.4835)赫兹)。

SRD 一词适用于设计用于在 100 m 的合理距离上运行的低功率、sub-GHz 无线电设备。一个简单的 SRD 系统，例如车库开门器，由一个发送到接收的单通道组成，两侧带有智能和电源(图 2)。

图 2：SRD 框图包含一个射频发射器和接收器。

在图 2中，发射器和接收器之间的通信通过一个简单的按钮或开关传递信息。图 2 的底部显示了一个 SRD 发射器块，它具有射频 (RF) 发射器、微控制器、按钮或开关以及纽扣电池。图 2 的上半部分显示了 SRD 的接收器模块，该模块具有 RF 接收器、带命令模块的微控制器和电源模块。

在图 2所示的系统中，发射器模块(底部)由电池供电，需要低功率组件来支持纽扣电池的使用寿命，同时仍允许射频发射器发送足够强的信号以在所需距离内保持链路。

SRD 通信链路

SRD 传输通道位于地面，与远程、开放空间传输不同。因此，在典型的 SRD 传输中需要考虑两条信号路径(图 3)。

图 3：平地多径图形传输动力学。

在图 3中，发射器从发射器天线 (TX) 开始向接收器发送信号。到接收天线 (RX) 的主要路径是信号传播距离等于 d2(蓝线)或 R 的直接路径。

等式 1 和 2(Friis 计算)有助于确定直接路径传输余量。

等式 1 计算信号传输功率。请注意，接收器的功率下降了 1/d2 2倍。

在 100 米传输路径上使用 434 MHz 信号时，发射器到接收器的路径衰减为 –62 dB。

通过平地多路径或接地反射路径生成辅助信号路径。该距离等于 d3 + d4，除了额外距离造成的微小相位变化外，地面反射还会导致 180° 相位反转。多径信号的损耗进一步降低了接收器看到的信号的整体传输功率。

应用笔记“ ISM-RF 产品的无线电链路预算计算”中强调的链路预算电子表格 (下载)提供了这种多径信号损耗的可靠计算。

传输损耗

SRD 通信范围的改进可以通过改变发射器和接收器以及改进天线设计来实现。信号衰减是通过错误的硬件连接、设计不当的天线、直接路径通道或物理结构的障碍物发生的。图 4说明了 100 米传输信道的完整 433.92 兆赫链路预算。

图 4. 100 m 处的典型 SRD 433.92-MHz 链路预算，提供 –110 dBm 有效灵敏度。

在图 4中，在家庭 SRD 应用的 100 米距离上以 434 MHz 频率传输的工业、科学和医疗无线电频段 (ISM) 信号功率具有 –65 dB 的直接路径衰减。链路预算计算中包含的 RF 环境 SRD 变量是发射机功率 (TX)、发射机天线增益 (TX_Ant)、直接路径衰减 (DP)、多路径衰减 (MP)、障碍物衰减 (OB)、接收机天线增益 (RX_Ant) 和接收器余量 (RX_SNR)。

从图 4中的发射机开始，发射机的功率放大器具有 10 dBm 的输出。然后信号通过天线 (TX_Ant) 传播，导致信号衰减 –17 dBi。信号通过两条路径穿过通道，直接路径 (DP) 信号占 65 dB 的衰减，多路径 (MP) 路径导致额外的 18 dB 衰减。物理障碍物会从信号中吸收另外 13 dB 的功率。到达接收器模块后，RX 天线 (RX_Ant) 会造成 6-dB 的损耗，从而导致总接收信号强度为 –109 dBm。

当使用指定灵敏度级别为 –110 dBm 的接收器时，此系统配置在尝试解码传输信号时仅提供 1 dB 余量 (RX_SNR)。在本例中，TX_Ant 和 RX_Ant 值包括连接滤波、损耗和阻抗匹配误差。

接收信号强度 (RSS) 可以通过从原始发射功率中减去每个元素的损耗来计算(公式 3)。

计算出的 RSS 与接收器的有效灵敏度之间的差异是余量，即 RX_SNR。

此计算中经常被忽视的变量是平地多路径和物理障碍物，例如砖墙和内墙。在前面的讨论中，平地多路径和物理障碍物都存在。从图4可以看出，发射信号中只剩下极少量的RSS，容易受到噪声干扰。

从理论角度来看，链路预算电子表格及其相关应用说明“ ISM-RF 产品的无线电链路预算计算”是了解和计算 SRD 信道评估的良好起点。正如无线电系统设计人员会发现的那样，这个 SRD 系统预算计算器有助于确定几个有用的权衡，例如接收器灵敏度与估计范围。

交易技巧

通过更高功率的发射器 (TX) 输出、更好的天线(TX_Ant、RX_Ant)和更好的接收器 (RX) 灵敏度，可以增强该系统提供的无线范围。

更高功率的发射器： 更高功率的发射器可以有效地在接收器处转换成更多的分贝。通常，这种 TX 功率的增加转化为需要来自发射器电源或电池的更多电流。反过来，增加的电流会缩短电池寿命或使用更大的电池增加远程封装尺寸。例如，MAX41460-MAX41464 系列发射器与传统发射器相比可提供额外 6 dB 的输出功率，而不会影响器件的电源要求。

MAX4146x 系列器件包括高输出功率、低电流发射器，发射功率高达 16 dBm，采用 3 V 纽扣电池供电。这是在将 ASK 调制(434 MHz，3.0 V)的电源电流保持在 12 mA 以下和 FSK 调制(434 MHz，3.0 V)的电源电流保持在 12 mA 以下的同时实现的，这对功率预算几乎没有影响。这些器件通过高功率匹配或使用电流通常低于 45 mA 的“升压模式”提供超过 16-dBm 的输出功率。

这些发射器允许超过 30 m 的额外范围，而不会对电池供电系统造成任何损失。通过使用优化的高功率匹配和/或升压模式操作，可以实现多达 60 m 的附加范围。

更好的天线： 更好的天线设计通常涉及更大的天线尺寸。常见的 SRD 工作频率为 315 MHz、434 MHz 或 868 MHz/915 MHz。对于这些频率，天线的理想长度应为 1/4 波长天线，相当于 23.8 厘米、17.9 厘米或 8.6 厘米/8.2 厘米(含)。对于小尺寸、电池供电的发射器，这些长度在视觉上都没有吸引力或实用性，因此设计最终得到的发射器天线比理想的要小但“足够好”。

在接收端，可以为更大的天线尺寸找到空间。同样，对于全向 1/4 波长单极天线(PCB 走线环路或弯曲单极天线)，存在信号增益而非衰减的潜力。改变接收天线可以将图 4 中的信号功率从 –6 分贝提高到 1 分贝或更高。

更好的 RX 灵敏度： 接收机灵敏度的提高直接提高了系统的 SNR 或链路余量。RX 灵敏度从 –110 dBm 到 –115 dBm 的变化直接提供了额外的 5 dB SNR。这种提高灵敏度的折衷通常是以增加电源电流为代价的。更敏感的 SRD 接收器通常也会影响解决方案的成本。

总体而言，增加 SRD 系统范围的最佳选择取决于设计时间、物料清单 (BOM) 成本和功率预算。这些考虑指向使用更高输出功率的发射器。

图 5 显示了改进的 433.92-MHz SRD 系统，通过实施所有这些建议的改进获得了更好的链路余量 (SNR)。

图 5. 100 m 处的典型 SRD 433.92-MHz 链路预算提供 –116-dBm 的有效灵敏度。

图 4 和图 5 之间的区别在于使用 16-dBm 与 10-dBm 发射器，这不仅提供了 TX_Ant 衰减从 –17 dBi 到 –15 dBi 的改进，而且 RX_Ant 从 –6 改进dBi 至 –5 dBi，接收机灵敏度从 –110 dBm 提高至 –116 dBm。所有这些改进都将 SNR 从 1 dB 提高到 16 dB。

结论

SRD 出现在各种需要短距离和低功率数据传输通道的应用中。在许多情况下，Wi-Fi 或 Zigbee 等现有标准并不适用，主要是因为电源电流要求。这些设计约束为使用 SRD 开辟了道路。本文展示了如何使用高增益、低功率射频发射器来最大化传输范围。

审核编辑：汤梓红