频率如何影响在射频传输中穿越物体的能力?

电器工程 射频 xbee 紫蜂 收发器
2022-01-27 10:05:13

或者,如果我需要在有重金属障碍物的路径中有效传输数据,最好的频段/调制是什么?

我需要构建许多设备,以便在一个装满金属容器(空的或充满未知内容)的大型存储设施中定期传输短脉冲数据。我一直在使用 ZigBee 收发器(例如 Atmel 的 ZigBit 系列)进行测试,并取得了不同程度的成功。我在 2.4 GHz 频段的结果非常差,在 900 MHz 频段的结果非常可接受。然而,我遇到的一些人告诉我,他们有完全相反的经历(在他们的案例中,他们使用的是 2.4GHz/900MHz XBee 模块)。我知道 433 MHz 也是一个常见的频段,当然还有 5.8 GHz。

因此,问题的主要部分是是否有某种图表或常识来说明哪些频率对这种传输特别好或特别坏。我对可以在具有电池电量的小型设备(例如手机大小)中使用的乐队感兴趣。有障碍物的 50~100 米/码的范围会非常好。此外,应该有某种商业上可用的芯片组或模块来处理设备的射频部分(即调制、射频前端、空闲信道检测、前导码检测等);我可以自己处理更高级别的协议。

理想情况下,这将是一个频段,如果放置在非常靠近大型金属物体(距离它 1 英寸/2.5 厘米)的地方,我可以使用某种天线,这种天线不会太容易失谐。我主要使用鞭状天线和螺旋天线进行测试。我的设备必须放置在非常靠近需要克服的金属表面的地方!

但是,我不能指望:天线方向性、设备位置/方向、固定收发器位置等。所有设备都将非常随机且几乎没有放置。我只需要尽我所能。我只能指望的一件事是这些设备将始终处于垂直位置。

2个回答

许多人使用的经验法则是,较低的频率比较高的频率具有更好的“穿透力”。在某些情况下确实如此,但并非全部。这可能来自计算材料的趋肤深度。趋肤深度是特定频率的电磁波可以穿透材料的深度。当材料是良导体时使用的方程为:

δ=2ρωμ 

其中 ρ 是电阻率,μ 是材料的磁导率。不过你应该注意到,随着频率 ( ) 变大,趋肤深度变浅。这是一个实际示例:您的微波炉以 2.4 GHz 发射无线电波。如果你把一块巨大的厚牛排放进去,我们测量它的电阻率和渗透性,我们可以计算出你可以在微波炉中烹饪的牛排的最大厚度。任何比皮肤深度更深的东西都不会被煮熟,因为微波的所有能量都已经被吸收了。ω

有像你提到的关于不同材料吸收无线电波的图表,但它们不是线性的或可预测的,因此实际上并没有一个易于应用的经验法则。以下是元素周期表中每个元素吸收光子(电磁辐射)的能力。Y 轴上的能量与频率成正比:

在此处输入图像描述

但是这张铁的吸收图表(根据不同的机制)显示了当你放大时事情变得更加混乱:

http://forums.solidsignal.com/content.php/190-What-is-multipath-and-what-c​​an-I-do-about-it

但是在您的应用程序中,还有另一个因素在起作用,它可能会产生更大的影响。当您的发射器开始进入您的大型设施时,它会向各个方向发送电磁波(假设您没有使用定向天线)。这些波将在空气中传播,直到遇到另一种介质,例如容器中的金属。当波击中那个容器时,一些能量被吸收到容器中,一些能量被容器反射。被反射的部分会一直移动,直到它碰到别的东西,然后一些会被吸收,一些会再次被反射。这称为多路径。您的接收天线可能会收到一堆原始传输信号的副本,所有这些都略有延迟。这里'

在此处输入图像描述

因为多径效应会导致波相互破坏性干扰,这可能就是你得到相互矛盾的结果的原因。天线、发射器和容器的位置会极大地改变性能,如果设施内有东西在移动,你可能会在某一刻收到一个很好的信号,然后突然之间就会变得很糟糕。

处理多路径很困难,但您可以尝试以下几件事。使接收天线具有方向性,因此它有望对反射信号具有低灵敏度。如果您可以将天线放在容器上方的高处,那也可能会有所帮助。我会尝试使用 433 MHz 发射器(有很多公司生产模块),因为我认为与 2.4 GHz 或 5.8 GHz 相比,您将获得更好的性能。

更高的频率倾向于折射更多并且对锐角的响应更显着,如在刀刃传播中。这有时会很好,因为它可以让您的信号到达它无法到达的地方。安装后您可能需要修改天线,因为金属容器会影响天线的谐振,但通过修改它们以在它们就位后降低 swr,您可以抵消很多。您不希望发射频率太高或太低,否则在高金属环境中响应不佳。在 150-1000 MHz 范围内的某个地方可能会运行良好。
要找到该天线的极性,您可以将其连接到发射器并在一定距离处收听另一台收音机上的发射信号。尝试在垂直对齐和水平对齐之间来回倾斜接收无线电上的天线。当信号最强时,就是发射天线的极化。当两个天线的极性不同时,信号强度可能会下降多达 90%。