ISM-RF产品的无线电链路预算计算

本应用笔记提供了一个可定制的电子表格，帮助使用Maxim工业、科学和医疗射频（ISM-RF）产品的设计人员估算给定无线电设计所能达到的范围和链路裕量。电子表格接受频率、发射器和接收器性能以及无线电路径特性的输入。它计算自由空间、室外平坦地面和室内条件的链接裕度和范围。该电子表格还估计了载波频率在大约 100MHz 和 10GHz 之间的几乎所有无线电的范围和链路裕量。

介绍

链路预算电子表格可帮助Maxim工业、科学和医疗射频（ISM-RF）产品（Tx、Rx、TRx）的用户估算给定无线电设计在多种代表性环境中所能实现的范围和链路裕量。Excel 电子表格还可用于估计载波频率在大约 100MHz 和 10GHz 之间的几乎任何无线电的范围和链路裕度。用户可以向电子表格提供以下输入：

无线电载波频率

发射机功率

电缆和连接器损耗

天线增益和效率（发射和接收）

自由空间和平坦地球传播

Tx 和 Rx 的高度

接收器灵敏度

梗阻丢失

多路径损耗

电子表格将来将进行升级，以包括新功能和现有功能的更复杂程度。这些将包括：

连接器丢失信息

计算散射模型的多径损耗

计算繁殖介质的损耗（湿度、电导率、介电常数、人/动物组织、树叶等）

本应用笔记简要介绍了有关传播路径的主要假设，以及这些假设背后的一些数学原理，然后提供了使用电子表格的说明。

传播路径损耗

电子表格中的两个基本传播路径是自由空间路径和平坦地球路径。还有其他条目来解释建筑物内或城市街道上常见的多路径、障碍物和穿透损失。Maxim的ISM-RF产品用于停车场、街道、空旷区域以及无线电离地面高度较小的建筑物。这意味着平坦地球路径模型通常最适合估算链路预算。在Tx和Rx都位于塔或屋顶上，并且天线波束很窄的应用中，自由空间模型将更相关。

相对于水平路径的所需距离，非常接近地面传输的无线电信号由两个部分组成：直接视线（LOS）信号和从地面反射的信号。除少数例外情况外，地面反弹电场的相位始终与视线电场的相位相反。在自由空间传播中，没有地面反射。

自由空间传播的路径损耗公式为：

PR= PTGTGRλ²/（4πR）²

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，R是范围，λ是波长。

平地传播的路径损耗公式为

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

其中ΔR是直接路径和地面反射路径的长度差，“a”（≤1）是地面反弹路径的相对强度。

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

请注意，公式2中的结果是公式1中的自由空间损耗与下面所示的地面反弹损耗因子的乘积。

LGB = ½(1 + a² - 2acos(2πΔR/λ))

在近距离，其中路径损耗差ΔR大于或等于约半个波长，L国标随R变化迅速，接收功率波动很大。在更长的范围内（在手持应用中通常为30m或更大），L国标展示一个 R-2变化，使得在平坦的地球环境中接收功率（公式2）随着R的4次方而降低。

传播损耗的两个公式都在电子表格中计算。您可以选择使用哪一个来确定链接边距。

用户选项卡说明

电子表格中有五个选项卡，用于执行计算或包含指导用户输入的信息：

链接预算

链接图

地面多路径

电缆损耗

障碍

在这些选项卡中，只有“链路预算”和“地面多路径”选项卡需要用户的输入。电缆损耗选项卡包含常用同轴电缆和连接器的插入损耗规格。障碍物选项卡包含建筑物内部墙壁和窗户以及外部森林、植被和结构的估计损失。这些数字可用于确定链路预算表中电缆和障碍物损耗的条目。连接器损耗通常小于1dB，无需使用附加卡舌即可输入。链路图选项卡从头到尾描述了硬件和信道（传播路径）的无线电链路损耗贡献。

地面多路径选项卡需要用户输入发射器和接收器高度，并包含路径损耗与距离的有用图，包括（在某些情况下）与地面无线电链路相关的深度传输淡入淡出。

电子表格中的条目采用颜色编码以标识其来源。

黑色：用户
直接输入 深红色：一个常数，例如光
速 蓝色：计算数字
绿色：从另一个选项卡获得的值

使用电子表格

打开电子表格的关联预算标签。此选项卡的屏幕截图显示在说明的末尾。

输入无线电的载波频率（以兆赫兹为单位）。电子表格将计算波长。

输入发射器的PA功率。这是尽可能接近发射器电路的PA输出引脚估计或测量的功率电平。

输入 Tx 匹配损失（如果有）。大多数发射器需要一些无源元件来将天线阻抗转换为发射器的最佳阻抗。

输入发射器电路和天线之间的任何重要连接器和电缆损耗。此时，电子表格显示 Tx 天线输入的功率。

输入发射天线增益。这包括天线的效率、任何附加阻抗变换网络中的损耗以及天线方向图变化的余量。尺寸小于0.1波长的天线将有损耗而不是增益。

输入您希望通过无线电链路覆盖的距离（以米为单位）。

输入介质的损失（如果适用）。例如，通过空气以外的介质传播或以较高频率（> 2GHz）传播，其中可能发生水分或分子吸收。

转到电子表格上的地面多路径选项卡，然后输入发射器天线和接收器天线的高度。

返回到链接预算选项卡。此时，电子表格将计算所选距离处自由空间和平坦地球的路径损耗。

“可用空间丢失”天线的接收功率显示在“平坦地球路径丢失”的接收功率上方几行。如果链路是可用空间链路，则使用可用空间损耗，无需计算平坦地球损耗。

输入预期的多路径损耗（来自路径中的反射和散射对象）。这通常至少为20dB，除非路径平坦而空旷（例如，空旷的场地或荒凉的停车场）。

输入预期的障碍物损失（来自墙壁或建筑物）。

平坦地球损耗天线的接收功率显示在自由空间路径损耗下方几行。

输入 Rx 天线增益。效率规则与发射天线增益相同。

输入天线和接收器电路之间的任何重要连接器和电缆损耗。接收器输入端的最终 Rx 功率显示了自由空间路径损耗和平坦地球路径损耗。

紧邻Rx功率右侧的条目是接收器的灵敏度。这是接收器正确处理来自无线电链路的信息的最低信号电平。当目标路径（自由空间或平坦地球）的接收信号电平等于灵敏度时，输入的距离是无线电链路的最大可达到范围。根据需要调整范围，使接收的信号电平与灵敏度相匹配。

要确定要在单元格中输入的正确灵敏度值，请使用链路预算选项卡的接收机灵敏度计算部分，或从链路图选项卡的Maxim RX表中选择一个值。用于计算接收器灵敏度和SNR的三个数字是噪声系数、接收带宽和工作温度。

示例 1：远程无钥匙进入 （RKE） 控制链路

图 1 是为 315MHz 的 RKE 控制链路填写的“链路预算”选项卡的屏幕截图。图 2 和图 3 显示了地面多路径选项卡，其中包含 Tx 和 Rx 高度以及路径损耗与无线电链路距离的条目。对结果的讨论显示在屏幕截图之后。

图1.为315MHz的RKE控制链路填写的链路预算选项卡。

图2.接地多路径选项卡显示 RKE 控制链路的平坦接地损耗计算与 Tx 和 Rx 高度的关系。

图3.RKE控制链路的平坦接地损耗与范围的关系图。

RKE示例观察和分析

链路预算电子表格中的条目是RKE应用的特征，对于Tx和Rx，RKE应用的天线增益非常低，为-15dB，发射器功率水平为+10dBm或更低。密钥卡天线的尺寸通常不超过1英寸×1英寸（40毫米×40毫米），与950毫米波长相比很小，因此天线效率非常低。接收天线可以更大，但需要考虑到车内或仪表板后面的阴影和堵塞。IC上的发射器功率通常为+10dBm，以最大限度地减少电池消耗，并将天线的峰值辐射功率保持在允许的FCC限值以下。该最大值是根据距离发射器 3 米的峰值场强给出的。如果发射器的占空比保持在足够低的水平，则可高达60mV/m（相当于天线的+0.4dBm辐射功率）。

地面多路径选项卡中所需的条目是发射器的高度和接收器的高度。这些决定了地面反弹的效果。在示例中，发射器和接收器的高度均为 1m，这对于持有遥控钥匙的人以及接收器在车辆中的位置是典型的。

在电子表格中输入的条件下，包括接收器的-114dBm灵敏度，空旷区域的最大范围约为175m。此结果是通过更改“链路预算”选项卡中“距离”条目的值得出的，直到接收信号功率等于灵敏度（在1dB的零点几分之一以内）。

示例 2：家庭自动化传感器和键盘

图 4 是为 433.92MHz 的家庭自动化链路填写的“链路预算”选项卡的屏幕截图。图 5 和图 6 显示了地面多路径选项卡，其中包含 Tx 和 Rx 高度以及路径损耗与无线电链路距离的条目。这种联系可能是家庭安全系统中的占用检测器和壁挂式键盘、远程恒温器和另一个房间的恒温器之间，或者远程调光控制和照明设备之间。在本例中，与RKE控制链路不同，存在障碍物和多路径损耗，这会增加路径损耗，从而减小范围。相比之下，天线效率更高（天线是波长的较大部分），并且无线电放置在离地面稍高的高度，从而增加了范围。此示例中的最终结果是范围减小。

图4.为433.92MHz的家庭自动化链路填写的链路预算选项卡。

图5.地面多路径选项卡显示家庭自动化链路的平坦接地损耗与 Tx 和 Rx 高度的关系。

图6.家庭自动化链路的平坦接地损耗与范围的关系图。

家庭自动化示例观察和分析

链路预算电子表格中具有家庭自动化应用特征的条目是，Tx的天线增益低至-10dB，Rx的天线增益较低，Rx的天线增益为-5dB，发射器功率为+10dBm。远程 Tx 天线的尺寸取决于传感器的封装限制（占用检测器、恒温器安装等），但它通常比密钥卡中的天线大。此外，433MHz的波长比315MHz的波长小。由于这些原因，此应用中的天线增益高于RKE应用中的天线增益，但天线的效率仍然非常低。接收器天线可以更大，因为接收器外壳（通常安装在墙上）有更多的空间，但它不太可能像波长的四分之一（17.5厘米或7英寸）那么大。因此，接收机天线增益仍小于0dB。发射器功率通常为+10dBm，以最大程度地减少电池消耗（某些家庭自动化发射器可能能够使用“家庭电源”），并将峰值发射功率保持在允许的FCC限制以下。同样，这个最大值在433MHz时高于在315MHz处，是根据距离发射器3米的峰值场强给出的。如果发射器的占空比保持在足够低的水平，则此电平可高达110mV/m。产生这种场强所需的功率为+5.6dBm。在本示例和前面的RKE示例中，输入到电子表格中的发射功率均未达到FCC限制，因为天线很小且效率低下。如果可以部署更大的天线，则可以轻松提高范围。

地面多路径选项卡中所需的条目是发射器的高度和接收器的高度。这些决定了地面反弹的效果。在本例中，发射器和接收器的高度均为 1.5m。与RKE示例（1.5m与1.0m）相比，即使是很小的附加高度也会改善范围。这是因为路径损耗的地面反弹近似值随着每个天线高度的平方而提高。根据特定的家庭自动化应用，每个高度可能会有所不同。例如，占用传感器可以安装在天花板上，这将增加其在电子表格中的高度。

室内环境增加了多路径（房屋或建筑物中物体的反射和散射）和堵塞（墙壁和天花板）的损失。多路径损耗估计为25dB，并且通过此电子表格中的条目计算了3壁（10.2dB阻塞损耗）的余量。

在电子表格中输入的条件下，包括接收器的-114dBm灵敏度，室内区域的最大范围约为80m。此结果是通过更改“链路预算”选项卡中“距离”条目的值得出的，直到接收信号功率等于灵敏度（在零点几dB内）。此示例显示了与建筑物内部相关的多路径和阻塞损耗如何显著减少室内无线电链路的范围。

审核编辑：郭婷