¿Cómo afecta la frecuencia a la capacidad de atravesar objetos en transmisiones de RF?

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O tal vez, ¿cuáles son las mejores bandas / modulaciones para elegir si necesito transmitir datos de manera eficiente en un camino con obstáculos de metales pesados?

Necesito construir una serie de dispositivos para transmitir periódicamente ráfagas cortas de datos en una gran instalación de almacenamiento llena de contenedores de metal (que están vacíos o llenos de contenido desconocido). He estado realizando pruebas con transceptores ZigBee (por ejemplo, la línea ZigBit de Atmel) con varios grados de éxito. He tenido resultados muy pobres en las bandas de 2.4 GHz y resultados muy aceptables en las bandas de 900 MHz. Sin embargo, algunas personas que he conocido me han dicho que han tenido exactamente la experiencia opuesta (en su caso, estaban usando módulos XBee de 2.4GHz / 900MHz). Soy consciente de que 433 MHz también es una banda común, y por supuesto también hay 5.8 GHz.

Entonces, la parte principal de la pregunta es si hay algún tipo de gráfico o conocimiento común sobre qué frecuencias son particularmente buenas o malas para este tipo de transmisión. Estoy interesado en las bandas que puedo usar en dispositivos pequeños (por ejemplo, del tamaño de un teléfono) con batería. Un rango de 50 ~ 100 metros / yardas con obstáculos sería muy bueno. Además, debe haber algún tipo de chipset o módulo disponible comercialmente para tratar con la parte de RF del dispositivo (es decir, modulación, extremo frontal de RF, detección de canal claro, detección de preámbulo, etc.); Puedo lidiar con los protocolos de nivel superior yo mismo.

Idealmente, sería una banda para la que pueda usar algún tipo de antena que no se sintonizaría demasiado fácilmente si se colocara muy cerca de un objeto metálico grande (a 1 pulgada / 2.5 cm. De él). He estado probando principalmente con antenas de látigo y helicoidales. ¡Mis dispositivos deben colocarse muy cerca de las superficies metálicas que necesita superar!

Sin embargo, no puedo contar con: direccionalidad de la antena, ubicación / orientación del dispositivo, ubicaciones del transceptor fijo, etc. Todos los dispositivos se colocarán de manera muy aleatoria y escasa. Solo necesito hacer lo mejor que pueda. Solo una cosa con la que puedo contar es que los dispositivos estarán siempre en posición vertical.

Guillermo Prandi
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Dé un paso atrás e intente y describa funcionalmente lo que está tratando de lograr sin mencionar los tipos de radio o transmisión.
Andy alias
@ Andy, gracias por tu interés. La información adicional de la aplicación es irrelevante ya que no puedo cambiar nada al respecto. Lo que necesito es asesoramiento sobre los tipos de radio y transmisión.
Guillermo Prandi
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Le pido que describa funcionalmente lo que necesita, no le pido que se olvide de la radio.
Andy alias
Necesito establecer una especie de red de "malla" entre nodos con sensores instalados magnéticamente en las puertas de los contenedores de metal. Cada sensor funciona con batería y debe transmitir datos a una antena base (que por cierto debe tener la misma electrónica que los nodos y se coloca en una esquina de las instalaciones). Los datos se transmiten cada 4 minutos y el recuento de nodos puede ir de unos pocos a un par de miles. Existe un protocolo (ya probado en simulaciones de software) que puede manejar esa cantidad de nodos, siempre que el tiempo tx del paquete de datos esté por debajo de ciertos límites; La visibilidad del nodo es la clave. ¿Eso ayuda?
Guillermo Prandi
Es el plan para que los sensores de la puerta sean "solo de transmisión", es decir, solo transmisores ciegos y sí, su descripción de la funcionalidad ayuda a las cargas. Si solo transmito, puedo decir que he hecho un sistema similar y para que funcione en condiciones de RF menos que ideales, utilicé múltiples receptores ubicados estratégicamente en un RS485 con alimentación fantasma que alimenta una unidad de recolección de datos. Piense en ello como un sistema celular en el que inicialmente el mejor receptor para un transmisor determinado se estableció mediante un proceso de configuración y luego se le indicó a cada receptor que reenviara solo los datos de ciertos transmisores.
Andy alias

Respuestas:

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La regla general que mucha gente usa es que las frecuencias más bajas tendrán una mejor "penetración" que las frecuencias más altas. Eso es cierto en algunos casos, pero no en todos. Esto probablemente se deriva del cálculo de la profundidad de la piel de los materiales. La profundidad de la piel es cuán profundamente puede penetrar en un material una onda electromagnética de una frecuencia particular. La ecuación utilizada cuando el material es un buen conductor es:

δ=2ρωμ 

donde ρ es la resistividad y μ es la permeabilidad del material. Sin embargo, lo que debe notar es que a medida que la frecuencia ( ) aumenta, la profundidad de la piel disminuye. Aquí hay un ejemplo práctico de lo que eso significa: su microondas dispara ondas de radio a 2.4 GHz. Si coloca un filete gigante y grueso, y medimos su resistividad y permeabilidad, podemos calcular el grosor máximo del filete que puede cocinar en su microondas. Cualquier cosa más profunda que la profundidad de la piel no se cocinará, porque toda la energía del microondas ya habrá sido absorbida.ω

Hay cuadros como el que mencionó sobre qué tan bien los diferentes materiales absorben las ondas de radio, pero no son lineales ni predecibles, por lo que no existe una regla general que sea fácil de aplicar. Aquí le mostramos qué tan bien cada elemento en la tabla de períodos absorbe fotones (radiación electromagnética). La energía en el eje Y es proporcional a la frecuencia:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Pero esta tabla de absorción de hierro (de acuerdo con diferentes mecanismos) muestra cómo las cosas se vuelven más desordenadas cuando se acerca:

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

Pero en su aplicación, hay otro factor en juego, que probablemente tenga un efecto mayor. Cuando su transmisor comienza a funcionar en su gran instalación, emite una onda electromagnética en todas las direcciones (suponiendo que no esté usando una antena direccional). Esas olas viajarán por el aire hasta que encuentren otro medio, como el metal en los contenedores. Cuando la ola golpea ese contenedor, parte de la energía se absorbe en el contenedor y parte se refleja en el contenedor. La parte que se refleja viajará hasta que golpee otra cosa y luego parte será absorbida y otra se reflejará nuevamente. Esto se llama multitrayecto. Su antena receptora podría obtener un montón de copias de la señal transmitida originalmente, todas ligeramente retrasadas. Aquí'

ingrese la descripción de la imagen aquí

Debido a que los efectos de trayectos múltiples pueden causar que las ondas interfieran destructivamente entre sí, probablemente es por eso que está obteniendo resultados contradictorios. La posición de la antena y el transmisor y los contenedores cambiarán mucho el rendimiento, y si las cosas se mueven en las instalaciones, puede obtener una gran señal en un momento y, de repente, será terrible.

Es difícil lidiar con la trayectoria múltiple, pero aquí hay un par de cosas que puedes probar. Haga que la antena de recepción sea direccional, por lo que es de esperar que tenga una baja sensibilidad a las señales reflejadas. Si puede colocar las antenas muy por encima de los contenedores, eso también puede ayudar. Experimentaría con un transmisor de 433 MHz (hay un montón de compañías que fabrican módulos) porque creo que obtendrá un mejor rendimiento en comparación con 2.4 GHz o 5.8 GHz.

aloishis89
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¡Gracias por su respuesta! De hecho, es un escenario de pesadilla para la transmisión de RF. La antena no es muy direccional ya que no puedo predecir la posición de cada sensor. Es un dipolo clásico de 1/4 de onda, por lo que es "más horizontal que vertical", lo cual es bueno para mí. Estoy de acuerdo con usted en que la ruta múltiple es un gran problema. La sintonización de la antena también es un problema; No soy un experto en antenas, por lo que me resulta difícil predecir cómo lo afectará el entorno (¡o incluso la carcasa del dispositivo!). ¿Alguna pista para eso?
Guillermo Prandi
Bueno, si está sentado encima de una superficie metálica con conexión a tierra, eso es bueno para el rendimiento. Obviamente no coloque la antena dentro de una caja de metal. Para asegurarse de que se está irradiando toda la energía, puede usar un medidor de ROE.
aloishis89
No está encima de la superficie metálica: ¡está al lado! Los contenedores de metal tienen 2,5 metros de altura y el dispositivo se coloca a media altura. Lo siento, no lo aclaré.
Guillermo Prandi
Eso le dará problemas ya que las paredes del contenedor paralelas a la antena comenzarán a irradiar (efecto de imagen) y cancelarán las ondas de la antena. La antena también se acoplará a las paredes de metal y su impedancia cambiará, por lo que obtendrá un VSWR más grande (lo cual es malo). Por lo tanto, intente usar una antena polarizada verticalmente (en relación con las paredes metálicas) y use un medidor de ROE para asegurarse de que la antena coincida (es decir, toda la energía del transmisor se irradia a través de la antena, no se refleja en los circuitos del transmisor).
aloishis89
Vertical "en relación con las paredes de metal" sería perpendicular o paralelo a ellos? (el dispositivo está instalado en la pared, cerca de su centro). He estado haciendo pruebas con látigos colocados verticalmente (como de pie desde el piso, paralelos a las paredes de los contenedores). También he probado con antenas helicoidales, también en posición vertical. Por cierto, ¿cómo puedo determinar la polarización de este tipo de antena? digikey.com/product-detail/en/W3012/553-1676-1-ND/2543337
Guillermo Prandi
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Las frecuencias más altas tienden a refractarse más y responder más dramáticamente a ángulos agudos, como en la propagación del filo de la navaja. Esto puede ser bueno a veces, ya que permite que su señal llegue a lugares que de otro modo no podría alcanzar. Es posible que deba modificar su antena una vez que está montada, ya que los contenedores de metal afectarán la resonancia de la antena, pero al modificarlos para reducir la swr después de que estén en su lugar, puede contrarrestar mucho de eso. No desea que la frecuencia emitida sea demasiado alta o demasiado baja, o no responderá bien en un entorno de metales altos. En algún lugar en el área de 150-1000 MHz probablemente funcionaría bien.
Para encontrar la polaridad de esa antena, puede conectarla a un transmisor y escuchar la señal transmitida en otra radio a cierta distancia. Intente inclinar la antena en la radio receptora hacia adelante y hacia atrás entre alineada verticalmente y horizontalmente. Cuando la señal es más fuerte, esa es la polarización de la antena transmisora. Puede haber una caída de hasta el 90% en la intensidad de la señal cuando la polaridad de las dos antenas es diferente.

Delta1X
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