远程无钥匙进入系统中的路径损耗

在远程无钥匙进入 （RKE） 系统中，通过从遥控钥匙发送到汽车接收器的无线电代码从远处解锁汽车。RKE系统通常在包括315MHz和433.92MHz在内的免许可ISM频段的频率下运行。随着远程启动功能和带验证功能的双向RKE的出现，设计人员希望增加这些短程器件的可用范围。用高频、容差锁相环发射器代替SAW谐振器发射器，可以使用带宽较窄的接收器。RFIC接收器利用这些较窄的带宽来提高灵敏度，从而增加可用范围。一旦确定了发射功率和接收器灵敏度，信号从发射器到接收器的路径损耗是可用范围的主要决定因素。本应用笔记描述了无线电信号的接地反弹如何影响路径损耗，并给出了路径损耗的简化近似公式。图表将路径损失预测为空停车场距离的函数。最后，该说明提供了预测多路径信号和阻塞影响的指南。

介绍

在遥控无钥匙进入 （RKE） 系统中，汽车驾驶员通过将编码无线电信号从遥控钥匙通过空中传输到汽车中的接收器来解锁汽车。接收器解码信号并控制打开门的执行器。

RKE系统的一个重要性能基准是其有用范围。此范围由链路预算计算确定，其中最关键的因素是从密钥卡传输的功率、接收器的灵敏度和路径损耗。通过仔细匹配遥控钥匙中的小天线，可以提高发射功率。使用锁相环发送器（如MAX1479）和锁相环RFIC接收器（如MAX1471）可以提高灵敏度。本应用笔记仅关注路径损耗。它显示了路径损耗如何取决于发射器和接收器之间的距离、无线电传输的频率以及发射器相对于接收器的高度。

接地反弹时的路径损耗

在“空停车场”环境中，超过几米的路径损耗的最显着特征是它随着距离的 4 次方而变化，而不是自由空间传输中距离的平方。实际上，路径损耗与频率无关，对于具有单位天线增益的小天线，路径损耗遵循一个非常简单的公式：

其中 R 是发射器和接收器之间的水平距离，h1是发射器高度，h2是接收器高度。

我们是如何得到这样一个紧凑、易于记忆的路径损耗方程的？简短的回答是“地面反弹”。在靠近地面的任何位置，无线电传输都采用从发射器到接收器的直接路径和接地反弹路径，如图1所示。

图1.地面反弹路径损耗图。

地面反弹贡献可以被认为是镜子的反射。它以传统地形的180°相移反射，并且比直接贡献的行进距离更长。这两个贡献在接收器处重新结合，如果不是因为路径长度差异，它们将完全抵消。

直接和地面反弹距离由公式2和3给出。

对于 R、R1/ 12>>小时1， h2，这些表达式由公式 4 和公式 5 近似。

两个距离之间的差值由公式6给出。

地面反弹是多径传输的一个简单示例：发射的无线电波从多个表面反弹，导致具有不同幅度和延迟的多个信号到达接收器。

在自由空间中，只有一条传输路径，接收器处的信号功率由公式7给出：

其中 PR为接收功率，PT是发射功率，GT是发射器天线增益，GR是接收天线增益，λ是波长。

回想一下，当接地存在时，传输的功率采用两条路径：直接和地面反弹。有很多方法可以模拟这种传输 - 其中大多数都值得研究生论文。显示第二条路径效果的一种合理而直观的方法是假设一半的功率进入直接路径，一半进入地面反弹路径。因此，有两个相位略有不同的电压在接收天线处减去（记住反射的180°相位反转）。公式8显示了这两个电压组合的复数表示。

两个电压，V1和 V2，对于大多数平地条件，其幅度几乎相同。我们可以将 V 视为“电压”（在本例中为伏特/欧姆）1/2），等于接收功率的一半平方根，或如公式9所示：

接收到的功率只是公式8中组合电压的平方幅度。

将公式9中的V代入，并将复指数项组合成三角函数，将精确路径损耗的方程降低为：

如果我们将等式 6 中 ΔR 的近似值代入等式 11，并将 sinx 近似≈ x，我们得到以下简化表达式：

对于具有宽角度覆盖范围的小型天线，天线增益几乎是统一的。将公式 12 表示为 P 的比率R/PT并设置 GT= GR= 1，得出等式 1 的近似值。

图2和图3显示了具有单位增益的天线在315MHz和434MHz处的路径损耗方程图。包括公式7的自由空间路径损耗、公式11给出的精确路径损耗以及公式12给出的近似路径损耗。我们可以看到，确切的路径损耗在近距离上变化很大，并且取决于信号频率。

从这两个图中可以看出，考虑到图1中的典型RKE几何形状，10米距离处的路径损耗可以用自由空间路径损耗来近似。这是因为在300MHz至400MHz处，直接贡献和地面反弹贡献的距离相差约四分之一的波长，导致90度的相位差。这意味着这两项贡献既没有建设性的，也没有破坏性的增加。

但是，在距离大于 10 米时，路径损耗变化为 R-4，这意味着公式1中的表达式是针对距车辆中长距离的路径损耗的非常有用的快速计算方法。实际上，对于相等的发射和接收高度h，以dB为单位的路径损耗很简单：

也就是说，对于1米高的发射器和接收器，1km处的路径损耗为-123dB。

图2.从RKE遥控钥匙到车辆接收器的315MHz信号的路径损耗。

图3.从RKE遥控钥匙到车辆接收器的434MHz信号的路径损耗。

使用路径损耗计算的提示

来自发射器的功率在直接路径和接地路径之间分配的方式并不精确。这就是为什么公式12和13中的表达式有时会有2倍的变化，具体取决于模型。然而，重要的是，本应用笔记中的表达式非常接近可实现的最佳范围性能，并描述了路径损耗如何随高度和距离而变化。

自由空间损失模型可用于距离车辆 10 米以下的范围，只要您了解该 10 米内的地面反弹反射可能会发生很大变化。对于在无障碍环境中大于 10 米的范围，R-4可以使用近似值。

任何其他散射表面的存在都会增加任何给定距离处路径损耗的变化。任何障碍物（停车场的其他汽车、灯杆、低矮的建筑物等）都会产生更多的反弹路径，衍射无线电波，在混凝土建筑物的情况下，会衰减它们。这意味着 R-4损失行为，尽管与自由空间损失相比看起来很糟糕，但实际上非常乐观。在现实环境中，一个好的准则是从公式20中的“空停车场”损耗中减去1dB，以允许来自多个表面的瞬时衰落。如果遥控钥匙位于建筑物内（例如，在远程启动应用中），则从公式30中的损耗中减去40dB至1dB。

归根结底，确定最大范围的最可靠方法是通过实证测试。上面的近似值是一个参考点或“健全性检查”，从中开始测量。

审核编辑：郭婷