Как частота влияет на способность пересекать объекты в радиопередаче?

Или, может быть, какие из лучших полос / модуляций выбрать, если мне нужно эффективно передавать данные на пути с препятствиями из тяжелых металлов?

Мне нужно создать несколько устройств для периодической передачи коротких пакетов данных в большом хранилище, заполненном металлическими контейнерами (которые либо пусты, либо заполнены неизвестным содержимым). Я проводил тесты с приемопередатчиками ZigBee (например, линия Atmel ZigBit) с различной степенью успеха. У меня были очень плохие результаты в диапазонах 2,4 ГГц и очень приемлемые результаты в диапазонах 900 МГц. Однако некоторые люди, с которыми я встречался, говорили мне, что у них был совершенно противоположный опыт (в их случае они использовали модули XBee 2,4 ГГц / 900 МГц). Я знаю, что 433 МГц - это тоже обычная полоса, и, конечно, 5,8 ГГц тоже.

Итак, основная часть вопроса заключается в том, есть ли какая-то диаграмма или общеизвестные сведения о том, какие частоты особенно хороши или плохи для этого вида передачи. Меня интересуют полосы, которые я могу использовать в небольших устройствах (например, размером с телефон) с питанием от батареи. Дальность 50 ~ 100 метров / ярдов с препятствиями была бы очень хороша. Кроме того, в продаже должен быть какой-то набор микросхем или модуль для работы с РЧ-частью устройства (т. Е. Модуляция, РЧ-интерфейс, обнаружение свободных каналов, обнаружение преамбул и т. Д.); Я могу иметь дело с протоколами более высокого уровня самостоятельно.

В идеале это была бы полоса, для которой я мог бы использовать какую-то антенну, которая не слишком легко расстраивалась бы, если бы она находилась очень близко к крупному металлическому предмету (1 дюйм / 2,5 см от него). Я тестировал в основном с штыревыми и спиральными антеннами. Мои устройства должны быть расположены очень близко к металлическим поверхностям, которые необходимо преодолеть!

Однако я не могу рассчитывать на: направленность антенны, расположение / ориентацию устройства, фиксированные местоположения приемопередатчика и т. Д. Все устройства будут размещены очень случайно и редко. Мне просто нужно сделать все возможное. Единственное, на что я могу рассчитывать, это то, что устройства всегда будут стоять в вертикальном положении.

Эмпирическое правило, которым пользуются многие люди, состоит в том, что более низкие частоты будут иметь лучшее «проникновение», чем более высокие частоты. Это правда в некоторых случаях, но не во всех. Вероятно, это происходит из расчета глубины залегания материалов. Глубина кожи - это насколько глубоко в материал может проникать электромагнитная волна определенной частоты. Уравнение, используемое, когда материал является хорошим проводником:

$\omega$

Как вы упомянули, есть диаграммы о том, насколько хорошо различные материалы поглощают радиоволны, но они не линейны и не предсказуемы, поэтому на самом деле не существует практического правила, которое легко применять. Вот как хорошо каждый элемент таблицы периодов поглощает фотоны (электромагнитное излучение). Энергия на оси Y пропорциональна частоте:

Но этот график поглощения железа (в соответствии с различными механизмами) показывает, как все становится более грязным, когда вы увеличиваете масштаб:

Но в вашем приложении есть еще один фактор, который, вероятно, имеет больший эффект. Когда ваш передатчик начинает работать на вашем большом объекте, он излучает электромагнитную волну во всех направлениях (при условии, что вы не используете направленную антенну). Эти волны будут проходить по воздуху, пока не встретят другую среду, например, металл в контейнерах. Когда волна попадает в этот контейнер, часть энергии поглощается контейнером, а часть отражается от контейнера. Отраженная часть будет перемещаться до тех пор, пока не достигнет чего-то другого, а затем часть будет поглощена, а часть снова отразится. Это называется многолучевым распространением. Ваша приемная антенна может получить несколько копий первоначально переданного сигнала, все с небольшой задержкой по времени. Вот'

Поскольку многолучевые эффекты могут вызывать деструктивное воздействие волн друг на друга, возможно, поэтому вы получаете противоречивые результаты. Положение антенны, передатчика и контейнеров сильно изменит производительность, и, если что-то будет происходить на объекте, вы можете получить отличный сигнал в одно мгновение, а затем внезапно это будет ужасно.

Работать с многолучевым распространением сложно, но вот несколько вещей, которые вы можете попробовать. Направьте приемную антенну так, чтобы она имела низкую чувствительность к отраженным сигналам. Если вы можете поднять антенны высоко над контейнерами, это тоже может помочь. Я бы поэкспериментировал с передатчиком 433 МГц (есть множество компаний, которые делают модули), потому что я думаю, что вы получите лучшую производительность по сравнению с 2,4 ГГц или 5,8 ГГц.

Более высокие частоты имеют тенденцию больше преломляться и более резко реагировать на острые углы, как при распространении лезвия ножа. Иногда это может быть хорошо, так как позволяет вашему сигналу достигать тех мест, которые он не мог бы достичь. Возможно, вам потребуется изменить антенну после ее установки, поскольку металлические контейнеры будут влиять на резонанс антенны, но, изменив их так, чтобы снизить КСВ после их установки, вы можете противодействовать многим из них. Вы не хотите, чтобы излучаемая частота была слишком высокой или слишком низкой, или она не будет хорошо реагировать в среде с высоким содержанием металлов. Где-то в районе 150-1000 МГц, вероятно, будет работать хорошо.
Чтобы определить полярность этой антенны, вы можете подключить ее к передатчику и прослушивать передаваемый сигнал на другом радио на некотором расстоянии. Попробуйте наклонить антенну на приемной радиостанции вперед и назад между вертикально и горизонтально. Когда сигнал самый сильный, это поляризация передающей антенны. Уровень полярности двух антенн может уменьшаться до 90%.