我們生活在一個無線世界中，從我們的短程無線電玩具到我們的車庫開門器，它們成為我們自己的個人物聯網，環繞著我們整個家。這些無線電工具和玩具通過短距離無線發射器和接收器連接我們的生活。這些應用中的每一個都為無線電設計人員帶來了挑戰，從最大化連接距離到應對 Wi-Fi 或藍牙監管叢林(圖 1)。

圖 1：無線家庭或樓宇系統在與所有功能通信時變成了無線電叢林。

免許可的超高頻(UHF) sub-GHz 短程設備 (SRD) 是這些無線家庭鏈路的重要組成部分。為了與社區保持同步，家庭中的 SRD 數量正在迅速增加。然而，SRD 家庭系統遇到與其通信范圍相關的幾個挑戰，例如正確考慮平地/多路徑傳輸現象、發射器功率和接收器靈敏度。

本文重點介紹 SRD 傳輸模塊，提供有用的環境傳輸見解和提高傳輸功率的技術，以及降低電源電流的技巧。

UHF sub-GHz SRD 網絡

短距離無線電設備可以是單向或雙向無線電發射器。SRD 發射器和接收器的頻段通常在 sub-GHz 范圍內，低于競爭無線監管技術的頻段，例如 Wi-Fi(900 MHz、2.4 GHz、5.9 GHz 等)和藍牙(2.4 GHz 至 2.4835)赫茲)。

SRD 一詞適用于設計用于在 100 m 的合理距離上運行的低功率、sub-GHz 無線電設備。一個簡單的 SRD 系統，例如車庫開門器，由一個發送到接收的單通道組成，兩側帶有智能和電源(圖 2)。

圖 2：SRD 框圖包含一個射頻發射器和接收器。

在圖 2中，發射器和接收器之間的通信通過一個簡單的按鈕或開關傳遞信息。圖 2 的底部顯示了一個 SRD 發射器塊，它具有射頻 (RF) 發射器、微控制器、按鈕或開關以及紐扣電池。圖 2 的上半部分顯示了 SRD 的接收器模塊，該模塊具有 RF 接收器、帶命令模塊的微控制器和電源模塊。

在圖 2所示的系統中，發射器模塊(底部)由電池供電，需要低功率組件來支持紐扣電池的使用壽命，同時仍允許射頻發射器發送足夠強的信號以在所需距離內保持鏈路。

SRD 通信鏈路

SRD 傳輸通道位于地面，與遠程、開放空間傳輸不同。因此，在典型的 SRD 傳輸中需要考慮兩條信號路徑(圖 3)。

圖 3：平地多徑圖形傳輸動力學。

在圖 3中，發射器從發射器天線 (TX) 開始向接收器發送信號。到接收天線 (RX) 的主要路徑是信號傳播距離等于 d2(藍線)或 R 的直接路徑。

等式 1 和 2(Friis 計算)有助于確定直接路徑傳輸余量。

等式 1 計算信號傳輸功率。請注意，接收器的功率下降了 1/d2 2倍。

在 100 米傳輸路徑上使用 434 MHz 信號時，發射器到接收器的路徑衰減為 –62 dB。

通過平地多路徑或接地反射路徑生成輔助信號路徑。該距離等于 d3 + d4，除了額外距離造成的微小相位變化外，地面反射還會導致 180° 相位反轉。多徑信號的損耗進一步降低了接收器看到的信號的整體傳輸功率。

應用筆記“ ISM-RF 產品的無線電鏈路預算計算”中強調的鏈路預算電子表格 (下載)提供了這種多徑信號損耗的可靠計算。

傳輸損耗

SRD 通信范圍的改進可以通過改變發射器和接收器以及改進天線設計來實現。信號衰減是通過錯誤的硬件連接、設計不當的天線、直接路徑通道或物理結構的障礙物發生的。圖 4說明了 100 米傳輸信道的完整 433.92 兆赫鏈路預算。

圖 4. 100 m 處的典型 SRD 433.92-MHz 鏈路預算，提供 –110 dBm 有效靈敏度。

在圖 4中，在家庭 SRD 應用的 100 米距離上以 434 MHz 頻率傳輸的工業、科學和醫療無線電頻段 (ISM) 信號功率具有 –65 dB 的直接路徑衰減。鏈路預算計算中包含的 RF 環境 SRD 變量是發射機功率 (TX)、發射機天線增益 (TX_Ant)、直接路徑衰減 (DP)、多路徑衰減 (MP)、障礙物衰減 (OB)、接收機天線增益 (RX_Ant) 和接收器余量 (RX_SNR)。

從圖 4中的發射機開始，發射機的功率放大器具有 10 dBm 的輸出。然后信號通過天線 (TX_Ant) 傳播，導致信號衰減 –17 dBi。信號通過兩條路徑穿過通道，直接路徑 (DP) 信號占 65 dB 的衰減，多路徑 (MP) 路徑導致額外的 18 dB 衰減。物理障礙物會從信號中吸收另外 13 dB 的功率。到達接收器模塊后，RX 天線 (RX_Ant) 會造成 6-dB 的損耗，從而導致總接收信號強度為 –109 dBm。

當使用指定靈敏度級別為 –110 dBm 的接收器時，此系統配置在嘗試解碼傳輸信號時僅提供 1 dB 余量 (RX_SNR)。在本例中，TX_Ant 和 RX_Ant 值包括連接濾波、損耗和阻抗匹配誤差。

接收信號強度 (RSS) 可以通過從原始發射功率中減去每個元素的損耗來計算(公式 3)。

計算出的 RSS 與接收器的有效靈敏度之間的差異是余量，即 RX_SNR。

此計算中經常被忽視的變量是平地多路徑和物理障礙物，例如磚墻和內墻。在前面的討論中，平地多路徑和物理障礙物都存在。從圖4可以看出，發射信號中只剩下極少量的RSS，容易受到噪聲干擾。

從理論角度來看，鏈路預算電子表格及其相關應用說明“ ISM-RF 產品的無線電鏈路預算計算”是了解和計算 SRD 信道評估的良好起點。正如無線電系統設計人員會發現的那樣，這個 SRD 系統預算計算器有助于確定幾個有用的權衡，例如接收器靈敏度與估計范圍。

交易技巧

通過更高功率的發射器 (TX) 輸出、更好的天線(TX_Ant、RX_Ant)和更好的接收器 (RX) 靈敏度，可以增強該系統提供的無線范圍。

更高功率的發射器： 更高功率的發射器可以有效地在接收器處轉換成更多的分貝。通常，這種 TX 功率的增加轉化為需要來自發射器電源或電池的更多電流。反過來，增加的電流會縮短電池壽命或使用更大的電池增加遠程封裝尺寸。例如，MAX41460-MAX41464 系列發射器與傳統發射器相比可提供額外 6 dB 的輸出功率，而不會影響器件的電源要求。

MAX4146x 系列器件包括高輸出功率、低電流發射器，發射功率高達 16 dBm，采用 3 V 紐扣電池供電。這是在將 ASK 調制(434 MHz，3.0 V)的電源電流保持在 12 mA 以下和 FSK 調制(434 MHz，3.0 V)的電源電流保持在 12 mA 以下的同時實現的，這對功率預算幾乎沒有影響。這些器件通過高功率匹配或使用電流通常低于 45 mA 的“升壓模式”提供超過 16-dBm 的輸出功率。

這些發射器允許超過 30 m 的額外范圍，而不會對電池供電系統造成任何損失。通過使用優化的高功率匹配和/或升壓模式操作，可以實現多達 60 m 的附加范圍。

更好的天線： 更好的天線設計通常涉及更大的天線尺寸。常見的 SRD 工作頻率為 315 MHz、434 MHz 或 868 MHz/915 MHz。對于這些頻率，天線的理想長度應為 1/4 波長天線，相當于 23.8 厘米、17.9 厘米或 8.6 厘米/8.2 厘米(含)。對于小尺寸、電池供電的發射器，這些長度在視覺上都沒有吸引力或實用性，因此設計最終得到的發射器天線比理想的要小但“足夠好”。

在接收端，可以為更大的天線尺寸找到空間。同樣，對于全向 1/4 波長單極天線(PCB 走線環路或彎曲單極天線)，存在信號增益而非衰減的潛力。改變接收天線可以將圖 4 中的信號功率從 –6 分貝提高到 1 分貝或更高。

更好的 RX 靈敏度： 接收機靈敏度的提高直接提高了系統的 SNR 或鏈路余量。RX 靈敏度從 –110 dBm 到 –115 dBm 的變化直接提供了額外的 5 dB SNR。這種提高靈敏度的折衷通常是以增加電源電流為代價的。更敏感的 SRD 接收器通常也會影響解決方案的成本。

總體而言，增加 SRD 系統范圍的最佳選擇取決于設計時間、物料清單 (BOM) 成本和功率預算。這些考慮指向使用更高輸出功率的發射器。

圖 5 顯示了改進的 433.92-MHz SRD 系統，通過實施所有這些建議的改進獲得了更好的鏈路余量 (SNR)。

圖 5. 100 m 處的典型 SRD 433.92-MHz 鏈路預算提供 –116-dBm 的有效靈敏度。

圖 4 和圖 5 之間的區別在于使用 16-dBm 與 10-dBm 發射器，這不僅提供了 TX_Ant 衰減從 –17 dBi 到 –15 dBi 的改進，而且 RX_Ant 從 –6 改進dBi 至 –5 dBi，接收機靈敏度從 –110 dBm 提高至 –116 dBm。所有這些改進都將 SNR 從 1 dB 提高到 16 dB。

結論

SRD 出現在各種需要短距離和低功率數據傳輸通道的應用中。在許多情況下，Wi-Fi 或 Zigbee 等現有標準并不適用，主要是因為電源電流要求。這些設計約束為使用 SRD 開辟了道路。本文展示了如何使用高增益、低功率射頻發射器來最大化傳輸范圍。

審核編輯：湯梓紅