本應(yīng)用筆記提供了一個(gè)可定制的電子表格，幫助使用Maxim工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療射頻（ISM-RF）產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員估算給定無(wú)線(xiàn)電設(shè)計(jì)所能達(dá)到的范圍和鏈路裕量。電子表格接受頻率、發(fā)射器和接收器性能以及無(wú)線(xiàn)電路徑特性的輸入。它計(jì)算自由空間、室外平坦地面和室內(nèi)條件的鏈接裕度和范圍。該電子表格還估計(jì)了載波頻率在大約 100MHz 和 10GHz 之間的幾乎所有無(wú)線(xiàn)電的范圍和鏈路裕量。

介紹

鏈路預(yù)算電子表格可幫助Maxim工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療射頻（ISM-RF）產(chǎn)品（Tx、Rx、TRx）的用戶(hù)估算給定無(wú)線(xiàn)電設(shè)計(jì)在多種代表性環(huán)境中所能實(shí)現(xiàn)的范圍和鏈路裕量。Excel 電子表格還可用于估計(jì)載波頻率在大約 100MHz 和 10GHz 之間的幾乎任何無(wú)線(xiàn)電的范圍和鏈路裕度。用戶(hù)可以向電子表格提供以下輸入：

無(wú)線(xiàn)電載波頻率

發(fā)射機(jī)功率

電纜和連接器損耗

天線(xiàn)增益和效率（發(fā)射和接收）

自由空間和平坦地球傳播

Tx 和 Rx 的高度

接收器靈敏度

梗阻丟失

多路徑損耗

電子表格將來(lái)將進(jìn)行升級(jí)，以包括新功能和現(xiàn)有功能的更復(fù)雜程度。這些將包括：

連接器丟失信息

計(jì)算散射模型的多徑損耗

計(jì)算繁殖介質(zhì)的損耗（濕度、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、人/動(dòng)物組織、樹(shù)葉等）

本應(yīng)用筆記簡(jiǎn)要介紹了有關(guān)傳播路徑的主要假設(shè)，以及這些假設(shè)背后的一些數(shù)學(xué)原理，然后提供了使用電子表格的說(shuō)明。

傳播路徑損耗

電子表格中的兩個(gè)基本傳播路徑是自由空間路徑和平坦地球路徑。還有其他條目來(lái)解釋建筑物內(nèi)或城市街道上常見(jiàn)的多路徑、障礙物和穿透損失。Maxim的ISM-RF產(chǎn)品用于停車(chē)場(chǎng)、街道、空曠區(qū)域以及無(wú)線(xiàn)電離地面高度較小的建筑物。這意味著平坦地球路徑模型通常最適合估算鏈路預(yù)算。在Tx和Rx都位于塔或屋頂上，并且天線(xiàn)波束很窄的應(yīng)用中，自由空間模型將更相關(guān)。

相對(duì)于水平路徑的所需距離，非常接近地面?zhèn)鬏數(shù)臒o(wú)線(xiàn)電信號(hào)由兩個(gè)部分組成：直接視線(xiàn)（LOS）信號(hào)和從地面反射的信號(hào)。除少數(shù)例外情況外，地面反彈電場(chǎng)的相位始終與視線(xiàn)電場(chǎng)的相位相反。在自由空間傳播中，沒(méi)有地面反射。

自由空間傳播的路徑損耗公式為：

PR= PTGTGRλ2/（4πR）2

其中 PR為接收功率，PT是發(fā)射功率，GT是發(fā)射器天線(xiàn)增益，GR是接收天線(xiàn)增益，R是范圍，λ是波長(zhǎng)。

平地傳播的路徑損耗公式為

PR= 1/2PTGTGRλ2/（4πR）2 （1 + a2 - 2acos（2πΔR/λ））

其中ΔR是直接路徑和地面反射路徑的長(zhǎng)度差，“a”（≤1）是地面反彈路徑的相對(duì)強(qiáng)度。

ΔR = √(R2 + (h2 + h1)2) - √(R2 + (h2 - h1)2)

請(qǐng)注意，公式2中的結(jié)果是公式1中的自由空間損耗與下面所示的地面反彈損耗因子的乘積。

LGB = ?(1 + a2 - 2acos(2πΔR/λ))

在近距離，其中路徑損耗差ΔR大于或等于約半個(gè)波長(zhǎng)，L國(guó)標(biāo)隨R變化迅速，接收功率波動(dòng)很大。在更長(zhǎng)的范圍內(nèi)（在手持應(yīng)用中通常為30m或更大），L國(guó)標(biāo)展示一個(gè) R-2變化，使得在平坦的地球環(huán)境中接收功率（公式2）隨著R的4次方而降低。

傳播損耗的兩個(gè)公式都在電子表格中計(jì)算。您可以選擇使用哪一個(gè)來(lái)確定鏈接邊距。

用戶(hù)選項(xiàng)卡說(shuō)明

電子表格中有五個(gè)選項(xiàng)卡，用于執(zhí)行計(jì)算或包含指導(dǎo)用戶(hù)輸入的信息：

鏈接預(yù)算

鏈接圖

地面多路徑

電纜損耗

障礙

在這些選項(xiàng)卡中，只有“鏈路預(yù)算”和“地面多路徑”選項(xiàng)卡需要用戶(hù)的輸入。電纜損耗選項(xiàng)卡包含常用同軸電纜和連接器的插入損耗規(guī)格。障礙物選項(xiàng)卡包含建筑物內(nèi)部墻壁和窗戶(hù)以及外部森林、植被和結(jié)構(gòu)的估計(jì)損失。這些數(shù)字可用于確定鏈路預(yù)算表中電纜和障礙物損耗的條目。連接器損耗通常小于1dB，無(wú)需使用附加卡舌即可輸入。鏈路圖選項(xiàng)卡從頭到尾描述了硬件和信道（傳播路徑）的無(wú)線(xiàn)電鏈路損耗貢獻(xiàn)。

地面多路徑選項(xiàng)卡需要用戶(hù)輸入發(fā)射器和接收器高度，并包含路徑損耗與距離的有用圖，包括（在某些情況下）與地面無(wú)線(xiàn)電鏈路相關(guān)的深度傳輸?shù)氲觥?/p>

電子表格中的條目采用顏色編碼以標(biāo)識(shí)其來(lái)源。

黑色：用戶(hù)
直接輸入 深紅色：一個(gè)常數(shù)，例如光
速 藍(lán)色：計(jì)算數(shù)字
綠色：從另一個(gè)選項(xiàng)卡獲得的值

使用電子表格

打開(kāi)電子表格的關(guān)聯(lián)預(yù)算標(biāo)簽。此選項(xiàng)卡的屏幕截圖顯示在說(shuō)明的末尾。

輸入無(wú)線(xiàn)電的載波頻率（以兆赫茲為單位）。電子表格將計(jì)算波長(zhǎng)。

輸入發(fā)射器的PA功率。這是盡可能接近發(fā)射器電路的PA輸出引腳估計(jì)或測(cè)量的功率電平。

輸入 Tx 匹配損失（如果有）。大多數(shù)發(fā)射器需要一些無(wú)源元件來(lái)將天線(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換為發(fā)射器的最佳阻抗。

輸入發(fā)射器電路和天線(xiàn)之間的任何重要連接器和電纜損耗。此時(shí)，電子表格顯示 Tx 天線(xiàn)輸入的功率。

輸入發(fā)射天線(xiàn)增益。這包括天線(xiàn)的效率、任何附加阻抗變換網(wǎng)絡(luò)中的損耗以及天線(xiàn)方向圖變化的余量。尺寸小于0.1波長(zhǎng)的天線(xiàn)將有損耗而不是增益。

輸入您希望通過(guò)無(wú)線(xiàn)電鏈路覆蓋的距離（以米為單位）。

輸入介質(zhì)的損失（如果適用）。例如，通過(guò)空氣以外的介質(zhì)傳播或以較高頻率（> 2GHz）傳播，其中可能發(fā)生水分或分子吸收。

轉(zhuǎn)到電子表格上的地面多路徑選項(xiàng)卡，然后輸入發(fā)射器天線(xiàn)和接收器天線(xiàn)的高度。

返回到鏈接預(yù)算選項(xiàng)卡。此時(shí)，電子表格將計(jì)算所選距離處自由空間和平坦地球的路徑損耗。

“可用空間丟失”天線(xiàn)的接收功率顯示在“平坦地球路徑丟失”的接收功率上方幾行。如果鏈路是可用空間鏈路，則使用可用空間損耗，無(wú)需計(jì)算平坦地球損耗。

輸入預(yù)期的多路徑損耗（來(lái)自路徑中的反射和散射對(duì)象）。這通常至少為20dB，除非路徑平坦而空曠（例如，空曠的場(chǎng)地或荒涼的停車(chē)場(chǎng)）。

輸入預(yù)期的障礙物損失（來(lái)自墻壁或建筑物）。

平坦地球損耗天線(xiàn)的接收功率顯示在自由空間路徑損耗下方幾行。

輸入 Rx 天線(xiàn)增益。效率規(guī)則與發(fā)射天線(xiàn)增益相同。

輸入天線(xiàn)和接收器電路之間的任何重要連接器和電纜損耗。接收器輸入端的最終 Rx 功率顯示了自由空間路徑損耗和平坦地球路徑損耗。

緊鄰Rx功率右側(cè)的條目是接收器的靈敏度。這是接收器正確處理來(lái)自無(wú)線(xiàn)電鏈路的信息的最低信號(hào)電平。當(dāng)目標(biāo)路徑（自由空間或平坦地球）的接收信號(hào)電平等于靈敏度時(shí)，輸入的距離是無(wú)線(xiàn)電鏈路的最大可達(dá)到范圍。根據(jù)需要調(diào)整范圍，使接收的信號(hào)電平與靈敏度相匹配。

要確定要在單元格中輸入的正確靈敏度值，請(qǐng)使用鏈路預(yù)算選項(xiàng)卡的接收機(jī)靈敏度計(jì)算部分，或從鏈路圖選項(xiàng)卡的Maxim RX表中選擇一個(gè)值。用于計(jì)算接收器靈敏度和SNR的三個(gè)數(shù)字是噪聲系數(shù)、接收帶寬和工作溫度。

示例 1：遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入 （RKE） 控制鏈路

圖 1 是為 315MHz 的 RKE 控制鏈路填寫(xiě)的“鏈路預(yù)算”選項(xiàng)卡的屏幕截圖。圖 2 和圖 3 顯示了地面多路徑選項(xiàng)卡，其中包含 Tx 和 Rx 高度以及路徑損耗與無(wú)線(xiàn)電鏈路距離的條目。對(duì)結(jié)果的討論顯示在屏幕截圖之后。

圖1.為315MHz的RKE控制鏈路填寫(xiě)的鏈路預(yù)算選項(xiàng)卡。

圖2.接地多路徑選項(xiàng)卡顯示 RKE 控制鏈路的平坦接地?fù)p耗計(jì)算與 Tx 和 Rx 高度的關(guān)系。

圖3.RKE控制鏈路的平坦接地?fù)p耗與范圍的關(guān)系圖。

RKE示例觀察和分析

鏈路預(yù)算電子表格中的條目是RKE應(yīng)用的特征，對(duì)于Tx和Rx，RKE應(yīng)用的天線(xiàn)增益非常低，為-15dB，發(fā)射器功率水平為+10dBm或更低。密鑰卡天線(xiàn)的尺寸通常不超過(guò)1英寸×1英寸（40毫米×40毫米），與950毫米波長(zhǎng)相比很小，因此天線(xiàn)效率非常低。接收天線(xiàn)可以更大，但需要考慮到車(chē)內(nèi)或儀表板后面的陰影和堵塞。IC上的發(fā)射器功率通常為+10dBm，以最大限度地減少電池消耗，并將天線(xiàn)的峰值輻射功率保持在允許的FCC限值以下。該最大值是根據(jù)距離發(fā)射器 3 米的峰值場(chǎng)強(qiáng)給出的。如果發(fā)射器的占空比保持在足夠低的水平，則可高達(dá)60mV/m（相當(dāng)于天線(xiàn)的+0.4dBm輻射功率）。

地面多路徑選項(xiàng)卡中所需的條目是發(fā)射器的高度和接收器的高度。這些決定了地面反彈的效果。在示例中，發(fā)射器和接收器的高度均為 1m，這對(duì)于持有遙控鑰匙的人以及接收器在車(chē)輛中的位置是典型的。

在電子表格中輸入的條件下，包括接收器的-114dBm靈敏度，空曠區(qū)域的最大范圍約為175m。此結(jié)果是通過(guò)更改“鏈路預(yù)算”選項(xiàng)卡中“距離”條目的值得出的，直到接收信號(hào)功率等于靈敏度（在1dB的零點(diǎn)幾分之一以?xún)?nèi)）。

示例 2：家庭自動(dòng)化傳感器和鍵盤(pán)

圖 4 是為 433.92MHz 的家庭自動(dòng)化鏈路填寫(xiě)的“鏈路預(yù)算”選項(xiàng)卡的屏幕截圖。圖 5 和圖 6 顯示了地面多路徑選項(xiàng)卡，其中包含 Tx 和 Rx 高度以及路徑損耗與無(wú)線(xiàn)電鏈路距離的條目。這種聯(lián)系可能是家庭安全系統(tǒng)中的占用檢測(cè)器和壁掛式鍵盤(pán)、遠(yuǎn)程恒溫器和另一個(gè)房間的恒溫器之間，或者遠(yuǎn)程調(diào)光控制和照明設(shè)備之間。在本例中，與RKE控制鏈路不同，存在障礙物和多路徑損耗，這會(huì)增加路徑損耗，從而減小范圍。相比之下，天線(xiàn)效率更高（天線(xiàn)是波長(zhǎng)的較大部分），并且無(wú)線(xiàn)電放置在離地面稍高的高度，從而增加了范圍。此示例中的最終結(jié)果是范圍減小。

圖4.為433.92MHz的家庭自動(dòng)化鏈路填寫(xiě)的鏈路預(yù)算選項(xiàng)卡。

圖5.地面多路徑選項(xiàng)卡顯示家庭自動(dòng)化鏈路的平坦接地?fù)p耗與 Tx 和 Rx 高度的關(guān)系。

圖6.家庭自動(dòng)化鏈路的平坦接地?fù)p耗與范圍的關(guān)系圖。

家庭自動(dòng)化示例觀察和分析

鏈路預(yù)算電子表格中具有家庭自動(dòng)化應(yīng)用特征的條目是，Tx的天線(xiàn)增益低至-10dB，Rx的天線(xiàn)增益較低，Rx的天線(xiàn)增益為-5dB，發(fā)射器功率為+10dBm。遠(yuǎn)程 Tx 天線(xiàn)的尺寸取決于傳感器的封裝限制（占用檢測(cè)器、恒溫器安裝等），但它通常比密鑰卡中的天線(xiàn)大。此外，433MHz的波長(zhǎng)比315MHz的波長(zhǎng)小。由于這些原因，此應(yīng)用中的天線(xiàn)增益高于RKE應(yīng)用中的天線(xiàn)增益，但天線(xiàn)的效率仍然非常低。接收器天線(xiàn)可以更大，因?yàn)榻邮掌魍鈿ぃㄍǔ０惭b在墻上）有更多的空間，但它不太可能像波長(zhǎng)的四分之一（17.5厘米或7英寸）那么大。因此，接收機(jī)天線(xiàn)增益仍小于0dB。發(fā)射器功率通常為+10dBm，以最大程度地減少電池消耗（某些家庭自動(dòng)化發(fā)射器可能能夠使用“家庭電源”），并將峰值發(fā)射功率保持在允許的FCC限制以下。同樣，這個(gè)最大值在433MHz時(shí)高于在315MHz處，是根據(jù)距離發(fā)射器3米的峰值場(chǎng)強(qiáng)給出的。如果發(fā)射器的占空比保持在足夠低的水平，則此電平可高達(dá)110mV/m。產(chǎn)生這種場(chǎng)強(qiáng)所需的功率為+5.6dBm。在本示例和前面的RKE示例中，輸入到電子表格中的發(fā)射功率均未達(dá)到FCC限制，因?yàn)樘炀€(xiàn)很小且效率低下。如果可以部署更大的天線(xiàn)，則可以輕松提高范圍。

地面多路徑選項(xiàng)卡中所需的條目是發(fā)射器的高度和接收器的高度。這些決定了地面反彈的效果。在本例中，發(fā)射器和接收器的高度均為 1.5m。與RKE示例（1.5m與1.0m）相比，即使是很小的附加高度也會(huì)改善范圍。這是因?yàn)槁窂綋p耗的地面反彈近似值隨著每個(gè)天線(xiàn)高度的平方而提高。根據(jù)特定的家庭自動(dòng)化應(yīng)用，每個(gè)高度可能會(huì)有所不同。例如，占用傳感器可以安裝在天花板上，這將增加其在電子表格中的高度。

室內(nèi)環(huán)境增加了多路徑（房屋或建筑物中物體的反射和散射）和堵塞（墻壁和天花板）的損失。多路徑損耗估計(jì)為25dB，并且通過(guò)此電子表格中的條目計(jì)算了3壁（10.2dB阻塞損耗）的余量。

在電子表格中輸入的條件下，包括接收器的-114dBm靈敏度，室內(nèi)區(qū)域的最大范圍約為80m。此結(jié)果是通過(guò)更改“鏈路預(yù)算”選項(xiàng)卡中“距離”條目的值得出的，直到接收信號(hào)功率等于靈敏度（在零點(diǎn)幾dB內(nèi)）。此示例顯示了與建筑物內(nèi)部相關(guān)的多路徑和阻塞損耗如何顯著減少室內(nèi)無(wú)線(xiàn)電鏈路的范圍。

審核編輯：郭婷