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天线技术速率突破低功耗RF系统设计的瓶颈

在任何产品中增加无线连接功能都不是件容易的事。然而,即使在某种无线解决方案看起来不起作用的时候,也仍可能存在可用的方案,并以合理的成本在产品中增加意想不到的价值和灵活性。但如果你不是无线工程师该怎么办?不用担心,因为在许多情况下,无线芯片和模块公司能帮助你轻松实现这种无线连接。

选择一种无线技术



表1:用于数据传输的低功耗、短距离无线技术。

表1是一份详尽的可用无线技术列表。这些技术都是已经实际应用验证过的,并且可以提供芯片或模块。它们都不需要许可证,因为大部分工作在免许可的频段。

一些无线标准为了满足特定应用要求而具有相当复杂的协议。例如,Wi-Fi 802.11是专门针对局域网(LAN)连接设计的,与以太网连接相对比较容易。除了超宽带(UWB)和60GHz标准外,Wi-Fi的速度也是最快的。芯片或模块形式的Wi-Fi已经得到广泛应用,但它很复杂,而且功耗很大。

ZigBee对工业和商业监视与控制来说是一种很棒的无线技术。在需要监视或控制大网络节点的场合,ZigBee的网状网功能使得ZigBee是一种很好的选择。ZigBee是一种复杂的协议,可以处理一些复杂的操作。它的基础是IEEE 802.15.4标准,但这个标准不包括网状网或其它特性,比较适合复杂性较低的项目。

如果你需要简单一些的技术,可以试试使用433MHz或915MHz芯片或模块的工业、科学和医疗(ISM)频段产品。这些产品要求你创建自己的协议。一些供应商为协议创建提供了软件工具。这是一种很好的方式,因为你可以针对实际需求优化设计,而不必去适应某些过分复杂的现有协议。

对于要求可靠的很长距离应用,可以考虑采用机器到机器(M2M)技术。这些蜂窝电话模块使用现成的蜂窝网络数据服务,如GSM网络中的GPRS或EDGE,或CDMA2000网络的1xRTT和EV-DO。你需要自己设计接口,并与运营商或中间公司签约,由它们负责蜂窝连接的建立和管理。虽然比较昂贵,但这种技术具有较高的可靠性,并且可以覆盖更远的距离。

赛普拉斯半导体公司专有的WirelessUSB技术工作在2.4GHz频段,主要用于像键盘和鼠标等人机界面设备(HID)。WirelessUSB技术可以提供62.5kbps的数据速率,覆盖范围为10米至50米。

Z-Wave是Sigma Design Zensys公司的专有标准,主要用于家庭自动化设备,工作频段在美国是908.42MHz,在欧洲是868.42MHz。它能在约30米的范围内提供9,600bps或40kbps的数据速率。这种技术也具有网状网功能。

创建还是购买?

在增加无线功能时决定是创建还是购买很重要,这通常与经验有关。当经验较少时,最好购买现成的模块或电路板。如果有丰富的高频或射频经验,可以考虑自己做设计。无论如何,启动时几乎都要借助于现成的芯片,技巧部分在于版图设计。

在自己做设计时,从芯片供应商那里争取到任何可用的参考设计都有助于你节省时间、金钱和减轻烦恼。主要设计问题涉及天线选择、与天线的阻抗匹配、发送/接收开关、电池或其它电源以及封装等。

测试时间和成本分析是另一个重要的设计步骤。新设计的任何产品都必须经过测试符合FCC Part 15规范要求。你要配备合适的仪器,特别是频谱分析仪、射频功率计、场强计以及配置了天线和探头的电磁干扰/电磁兼容(EMI/EMC)测试仪。第三方公司也可以做测试,但价格昂贵,时间也长。要考虑如果测试失败需要修改设计的时间。大多数模块要经过预测试,因此很大程度上取决于封装以及与产品剩余部分的接口。

关键考虑事项和建议

如果更远距离和可靠性是第一优先级,那么采用较低的频率,比如915MHz要比2.4GHz好得多,433MHz则更好。这完全是物理学方面的原因。唯一的缺点是天线尺寸,在较低频率点的天线尺寸相对较大。不过如果你想传输几公里或几英里,这也没什么不好的。虽然在2.4GHz时不是不可能传这么远的距离,但它要求更大的功率和方向性增益最大的天线。

至于数据速率,慢速是优先考虑对象。较低数据速率的链路通常具有较高的可靠性。通过降低数据速率还能覆盖更远的距离。更低数据速率在高噪声环境中也能更好地生存。

分析无线电波路径是建立鲁棒和可靠链路的必要步骤。第一步应该是估计路径损耗。一些基本的经验公式可以提供比较接近的数据给你使用。在知道路径损耗后,你就可以考虑其它一些事情,比如发送器输出功率、天线增益、接收器灵敏度、电缆损耗,一直到各种硬件需求。为估计发送器和接收器之间的路径损耗,可以使用下列公式:

损耗(dB)=37dB+20log(f)+20log(d)

工作频率(f)的单位是MHz,范围或距离(d)的单位是英里。另外一个公式是:

损耗(dB)=20log(4π/λ)+20log(d)

波长(λ)和范围或距离的单位都是米。根据这两个公式计算出来的结果是非常接近的。请注意,这是无障碍的自由空间损耗。距离每增加一倍,损耗增加约6dB。

如果存在障碍物,就必须加入一些修正系数。平均损耗系数对墙来说是3dB,对窗户来说是2dB,对外墙建筑来说是10dB。

在路径损耗确定之前,还要加入衰落余量。这个“附加因素”可以确保在恶劣天气、太阳事件或异常噪声和干扰条件下仍有良好的链路可靠性。这样,发送器功率和接收器灵敏度将足以克服这些临时状况。

衰落余量系数只是一个猜测值。一些保守的设计师认为应该是15dB,也有设计师认为10dB是可接受的。如果异常天气或其它条件不用考虑,那么5dB也许就可以了。将这个系数增加到路径损耗中,然后再对其它各项作进一步调整。

另外一个有助于评估需求的便利公式是Friis公式:

PR= PT*GR*GT*λ2/(16π2*d2)


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