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. . . .>> TechXchange:无线电设计101
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随着无线设计活动的不断进行，我不禁要问，现在到底有多少工程师真正接受过无线原理方面的教育。我猜不是很多。从我所看到的电子电气教育，课程仍然是基于经典电路理论，基本设备，一些线性，大量的数字，以及微控制器和相关的软件编程。没有收音机的理论。
出于这个原因，我想我应该解释一个基本的无线概念，它可能有助于说明无线的工作原理:自由空间路径损耗(FSPL)。如果您正在开发物联网(IoT)或其他无线产品，这可能会有所帮助。你不需要学习麦克斯韦方程。
FSPL是无线电信号在从发射机(Tx)到接收机(Rx)的过程中所经历的衰减。通常用dB表示。甚高频、超高频、微波和毫米波频段的无线电信号沿我们称之为视线(LOS)的直线传播。一般来说，衰减与Tx和Rx之间距离(d)的平方成正比。衰减也与工作频率(f)成正比。
FSPL决定了对于给定的因素，如传输功率(Pt)，接收功率(Pr)、发射机天线增益(Gt)接收机天线增益r)和接收器灵敏度(R)。功率单位当然是瓦，天线增益是功率比。如果假定源为各向同性(球形辐射模式)，天线增益是统一的。如果你用偶极子或它的等价物，功率比是1.64。两个天线应该有相同的极化。
所有这些因素都可以用所谓的弗里斯公式来概括:
Pr= PtGtGrλ2/ 16π2d2
距离(d)的单位是米，波长也是米。记住λ = 300/f兆赫．
从这个公式中得到的关键结论是，接收器的功率随着距离的增加和波长的缩短而减小。换句话说，对于给定的发射功率和固定的天线增益，接收器的信号在更高的频率上变得更小。频率越高，FSPL越大。更高的频率是很好的，因为它们提供更多的带宽和更短的天线。然而，其范围更为有限。
Friis的公式处理起来很混乱，所以用分贝创造了一种更方便的形式。
FSPL (dB) = 32.45 + 20log(f) + 20log(d)
频率(f)的单位是MHz，距离(d)的单位是公里。
举个例子，在100m处2.4 GHz信号的FSPL是多少?
FSPL(dB) = 32.45 + 20log(2400) + 20log(0.1) = 32.45 + 67.6 - 20 = 80 dB
现在你知道了路径损耗，你可以考虑一些其他的因素，如发射机功率(Pt)．可以用dBm(毫瓦参考)表示。假设功率为400mw。
dBm = 10log (Pt/1mW) = 10log(400) = 26 dBm
知道了路径损耗和发射功率，就可以计算出接收功率。Pr也将以dBm的形式出现。
Pr= Pt—FSPL = 26—80 = - 54 dBm
现在让我们加上天线增益。该公式假定天线为各向同性。这使天线增益(G)为1。偶极子或它的等价物有一些增益——具体来说，1.64的功率比转换成2.15 dB的增益。如果发射机和接收机都使用偶极子，计算是这样的:
Pr= Pt+ Gt+ Gr- FSPL = 26 + 2.15 + 2.15 - 80 = - 49.7 dBm
其中缺失的量是接收器灵敏度(R)。这是所有无线接收器的一个规格，是接收器能够处理的最小信号。它在- dBm中给出。假设值为-98 dBm。正如你所看到的，由于-47 dBm比-98 dBm功率级更大，接收器将获得足够的功率和良好的裕度。
使用发射功率、接收器灵敏度和天线增益，可以计算出这种组合的最大路径损耗。
FSPL (max) = Pt+ Gt+ GrR = 26 + 4.3 - (- 98) = 128.3 dB
从这个图中，您可以重新排列FSPL公式，并计算这种情况下的最大可能范围(d)。具体数字留给你，但射程是25.8公里。
对于任何给定的设计，您都可以使用此过程来获得系统如何工作的初步近似。你可以利用这些因素来优化你的设计。记住我们用的是LOS FSPL。发射和接收天线之间没有障碍。如果你引入了墙、树等元素，你就需要相应地增加路径损失。反射和多径、衍射和散射也没有考虑在内。这些因素的衰减估计是可用的，但超出了本博客的范围。对于初步估计，只要确保你有额外的保证金(比如20%)，以确保可靠的链接。
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