本應用筆記提供了一個可定制的電子表格，幫助使用Maxim工業、科學和醫療射頻（ISM-RF）產品的設計人員估算給定無線電設計所能達到的范圍和鏈路裕量。電子表格接受頻率、發射器和接收器性能以及無線電路徑特性的輸入。它計算自由空間、室外平坦地面和室內條件的鏈接裕度和范圍。該電子表格還估計了載波頻率在大約 100MHz 和 10GHz 之間的幾乎所有無線電的范圍和鏈路裕量。

介紹

鏈路預算電子表格可幫助Maxim工業、科學和醫療射頻（ISM-RF）產品（Tx、Rx、TRx）的用戶估算給定無線電設計在多種代表性環境中所能實現的范圍和鏈路裕量。Excel 電子表格還可用于估計載波頻率在大約 100MHz 和 10GHz 之間的幾乎任何無線電的范圍和鏈路裕度。用戶可以向電子表格提供以下輸入：

無線電載波頻率

發射機功率

電纜和連接器損耗

天線增益和效率（發射和接收）

自由空間和平坦地球傳播

Tx 和 Rx 的高度

接收器靈敏度

梗阻丟失

多路徑損耗

電子表格將來將進行升級，以包括新功能和現有功能的更復雜程度。這些將包括：

連接器丟失信息

計算散射模型的多徑損耗

計算繁殖介質的損耗（濕度、電導率、介電常數、人/動物組織、樹葉等）

本應用筆記簡要介紹了有關傳播路徑的主要假設，以及這些假設背后的一些數學原理，然后提供了使用電子表格的說明。

傳播路徑損耗

電子表格中的兩個基本傳播路徑是自由空間路徑和平坦地球路徑。還有其他條目來解釋建筑物內或城市街道上常見的多路徑、障礙物和穿透損失。Maxim的ISM-RF產品用于停車場、街道、空曠區域以及無線電離地面高度較小的建筑物。這意味著平坦地球路徑模型通常最適合估算鏈路預算。在Tx和Rx都位于塔或屋頂上，并且天線波束很窄的應用中，自由空間模型將更相關。

相對于水平路徑的所需距離，非常接近地面傳輸的無線電信號由兩個部分組成：直接視線（LOS）信號和從地面反射的信號。除少數例外情況外，地面反彈電場的相位始終與視線電場的相位相反。在自由空間傳播中，沒有地面反射。

自由空間傳播的路徑損耗公式為：

PR= PTGTGRλ2/（4πR）2

其中 PR為接收功率，PT是發射功率，GT是發射器天線增益，GR是接收天線增益，R是范圍，λ是波長。

平地傳播的路徑損耗公式為

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

其中ΔR是直接路徑和地面反射路徑的長度差，“a”（≤1）是地面反彈路徑的相對強度。

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

請注意，公式2中的結果是公式1中的自由空間損耗與下面所示的地面反彈損耗因子的乘積。

LGB = ?(1 + a2 - 2acos(2πΔR/λ))

在近距離，其中路徑損耗差ΔR大于或等于約半個波長，L國標隨R變化迅速，接收功率波動很大。在更長的范圍內（在手持應用中通常為30m或更大），L國標展示一個 R-2變化，使得在平坦的地球環境中接收功率（公式2）隨著R的4次方而降低。

傳播損耗的兩個公式都在電子表格中計算。您可以選擇使用哪一個來確定鏈接邊距。

用戶選項卡說明

電子表格中有五個選項卡，用于執行計算或包含指導用戶輸入的信息：

鏈接預算

鏈接圖

地面多路徑

電纜損耗

障礙

在這些選項卡中，只有“鏈路預算”和“地面多路徑”選項卡需要用戶的輸入。電纜損耗選項卡包含常用同軸電纜和連接器的插入損耗規格。障礙物選項卡包含建筑物內部墻壁和窗戶以及外部森林、植被和結構的估計損失。這些數字可用于確定鏈路預算表中電纜和障礙物損耗的條目。連接器損耗通常小于1dB，無需使用附加卡舌即可輸入。鏈路圖選項卡從頭到尾描述了硬件和信道（傳播路徑）的無線電鏈路損耗貢獻。

地面多路徑選項卡需要用戶輸入發射器和接收器高度，并包含路徑損耗與距離的有用圖，包括（在某些情況下）與地面無線電鏈路相關的深度傳輸淡入淡出。

電子表格中的條目采用顏色編碼以標識其來源。

黑色：用戶
直接輸入 深紅色：一個常數，例如光
速 藍色：計算數字
綠色：從另一個選項卡獲得的值

使用電子表格

打開電子表格的關聯預算標簽。此選項卡的屏幕截圖顯示在說明的末尾。

輸入無線電的載波頻率（以兆赫茲為單位）。電子表格將計算波長。

輸入發射器的PA功率。這是盡可能接近發射器電路的PA輸出引腳估計或測量的功率電平。

輸入 Tx 匹配損失（如果有）。大多數發射器需要一些無源元件來將天線阻抗轉換為發射器的最佳阻抗。

輸入發射器電路和天線之間的任何重要連接器和電纜損耗。此時，電子表格顯示 Tx 天線輸入的功率。

輸入發射天線增益。這包括天線的效率、任何附加阻抗變換網絡中的損耗以及天線方向圖變化的余量。尺寸小于0.1波長的天線將有損耗而不是增益。

輸入您希望通過無線電鏈路覆蓋的距離（以米為單位）。

輸入介質的損失（如果適用）。例如，通過空氣以外的介質傳播或以較高頻率（> 2GHz）傳播，其中可能發生水分或分子吸收。

轉到電子表格上的地面多路徑選項卡，然后輸入發射器天線和接收器天線的高度。

返回到鏈接預算選項卡。此時，電子表格將計算所選距離處自由空間和平坦地球的路徑損耗。

“可用空間丟失”天線的接收功率顯示在“平坦地球路徑丟失”的接收功率上方幾行。如果鏈路是可用空間鏈路，則使用可用空間損耗，無需計算平坦地球損耗。

輸入預期的多路徑損耗（來自路徑中的反射和散射對象）。這通常至少為20dB，除非路徑平坦而空曠（例如，空曠的場地或荒涼的停車場）。

輸入預期的障礙物損失（來自墻壁或建筑物）。

平坦地球損耗天線的接收功率顯示在自由空間路徑損耗下方幾行。

輸入 Rx 天線增益。效率規則與發射天線增益相同。

輸入天線和接收器電路之間的任何重要連接器和電纜損耗。接收器輸入端的最終 Rx 功率顯示了自由空間路徑損耗和平坦地球路徑損耗。

緊鄰Rx功率右側的條目是接收器的靈敏度。這是接收器正確處理來自無線電鏈路的信息的最低信號電平。當目標路徑（自由空間或平坦地球）的接收信號電平等于靈敏度時，輸入的距離是無線電鏈路的最大可達到范圍。根據需要調整范圍，使接收的信號電平與靈敏度相匹配。

要確定要在單元格中輸入的正確靈敏度值，請使用鏈路預算選項卡的接收機靈敏度計算部分，或從鏈路圖選項卡的Maxim RX表中選擇一個值。用于計算接收器靈敏度和SNR的三個數字是噪聲系數、接收帶寬和工作溫度。

示例 1：遠程無鑰匙進入 （RKE） 控制鏈路

圖 1 是為 315MHz 的 RKE 控制鏈路填寫的“鏈路預算”選項卡的屏幕截圖。圖 2 和圖 3 顯示了地面多路徑選項卡，其中包含 Tx 和 Rx 高度以及路徑損耗與無線電鏈路距離的條目。對結果的討論顯示在屏幕截圖之后。

圖1.為315MHz的RKE控制鏈路填寫的鏈路預算選項卡。

圖2.接地多路徑選項卡顯示 RKE 控制鏈路的平坦接地損耗計算與 Tx 和 Rx 高度的關系。

圖3.RKE控制鏈路的平坦接地損耗與范圍的關系圖。

RKE示例觀察和分析

鏈路預算電子表格中的條目是RKE應用的特征，對于Tx和Rx，RKE應用的天線增益非常低，為-15dB，發射器功率水平為+10dBm或更低。密鑰卡天線的尺寸通常不超過1英寸×1英寸（40毫米×40毫米），與950毫米波長相比很小，因此天線效率非常低。接收天線可以更大，但需要考慮到車內或儀表板后面的陰影和堵塞。IC上的發射器功率通常為+10dBm，以最大限度地減少電池消耗，并將天線的峰值輻射功率保持在允許的FCC限值以下。該最大值是根據距離發射器 3 米的峰值場強給出的。如果發射器的占空比保持在足夠低的水平，則可高達60mV/m（相當于天線的+0.4dBm輻射功率）。

地面多路徑選項卡中所需的條目是發射器的高度和接收器的高度。這些決定了地面反彈的效果。在示例中，發射器和接收器的高度均為 1m，這對于持有遙控鑰匙的人以及接收器在車輛中的位置是典型的。

在電子表格中輸入的條件下，包括接收器的-114dBm靈敏度，空曠區域的最大范圍約為175m。此結果是通過更改“鏈路預算”選項卡中“距離”條目的值得出的，直到接收信號功率等于靈敏度（在1dB的零點幾分之一以內）。

示例 2：家庭自動化傳感器和鍵盤

圖 4 是為 433.92MHz 的家庭自動化鏈路填寫的“鏈路預算”選項卡的屏幕截圖。圖 5 和圖 6 顯示了地面多路徑選項卡，其中包含 Tx 和 Rx 高度以及路徑損耗與無線電鏈路距離的條目。這種聯系可能是家庭安全系統中的占用檢測器和壁掛式鍵盤、遠程恒溫器和另一個房間的恒溫器之間，或者遠程調光控制和照明設備之間。在本例中，與RKE控制鏈路不同，存在障礙物和多路徑損耗，這會增加路徑損耗，從而減小范圍。相比之下，天線效率更高（天線是波長的較大部分），并且無線電放置在離地面稍高的高度，從而增加了范圍。此示例中的最終結果是范圍減小。

圖4.為433.92MHz的家庭自動化鏈路填寫的鏈路預算選項卡。

圖5.地面多路徑選項卡顯示家庭自動化鏈路的平坦接地損耗與 Tx 和 Rx 高度的關系。

圖6.家庭自動化鏈路的平坦接地損耗與范圍的關系圖。

家庭自動化示例觀察和分析

鏈路預算電子表格中具有家庭自動化應用特征的條目是，Tx的天線增益低至-10dB，Rx的天線增益較低，Rx的天線增益為-5dB，發射器功率為+10dBm。遠程 Tx 天線的尺寸取決于傳感器的封裝限制（占用檢測器、恒溫器安裝等），但它通常比密鑰卡中的天線大。此外，433MHz的波長比315MHz的波長小。由于這些原因，此應用中的天線增益高于RKE應用中的天線增益，但天線的效率仍然非常低。接收器天線可以更大，因為接收器外殼（通常安裝在墻上）有更多的空間，但它不太可能像波長的四分之一（17.5厘米或7英寸）那么大。因此，接收機天線增益仍小于0dB。發射器功率通常為+10dBm，以最大程度地減少電池消耗（某些家庭自動化發射器可能能夠使用“家庭電源”），并將峰值發射功率保持在允許的FCC限制以下。同樣，這個最大值在433MHz時高于在315MHz處，是根據距離發射器3米的峰值場強給出的。如果發射器的占空比保持在足夠低的水平，則此電平可高達110mV/m。產生這種場強所需的功率為+5.6dBm。在本示例和前面的RKE示例中，輸入到電子表格中的發射功率均未達到FCC限制，因為天線很小且效率低下。如果可以部署更大的天線，則可以輕松提高范圍。

地面多路徑選項卡中所需的條目是發射器的高度和接收器的高度。這些決定了地面反彈的效果。在本例中，發射器和接收器的高度均為 1.5m。與RKE示例（1.5m與1.0m）相比，即使是很小的附加高度也會改善范圍。這是因為路徑損耗的地面反彈近似值隨著每個天線高度的平方而提高。根據特定的家庭自動化應用，每個高度可能會有所不同。例如，占用傳感器可以安裝在天花板上，這將增加其在電子表格中的高度。

室內環境增加了多路徑（房屋或建筑物中物體的反射和散射）和堵塞（墻壁和天花板）的損失。多路徑損耗估計為25dB，并且通過此電子表格中的條目計算了3壁（10.2dB阻塞損耗）的余量。

在電子表格中輸入的條件下，包括接收器的-114dBm靈敏度，室內區域的最大范圍約為80m。此結果是通過更改“鏈路預算”選項卡中“距離”條目的值得出的，直到接收信號功率等于靈敏度（在零點幾dB內）。此示例顯示了與建筑物內部相關的多路徑和阻塞損耗如何顯著減少室內無線電鏈路的范圍。

審核編輯：郭婷