Рекомендации по применению модулей компании Radiocrafts
В разделе рассмотрены вопросы реализации антенн для модулей ISM диапазона и пример организации канала передачи данных.
Антенны
Дальность радиосвязи и надежность радиоканала передачи данных во многом определяется конструкцией антенн, фидерными устройствами и согласованием выходного каскада передатчика с антенной. На работающий модуль ISM диапазона оказывают влияние элементы конструкции того устройства, где он должен работать. Часто приходится располагать модули на транспортных средствах, которые, представляют собой массивную металлическую конструкцию и негативно влияют на излучение электромагнитной энергии в пространство и ухудшают условия приема.
Учитывая небольшую мощность модулей вопросы реализации антенны и их согласования являются очень важными.
Для работы с ISM модулями наиболее удобными являются антенны следующих типов:
- Штыревые
- Диполь (полуволновой вибратор)
- Петлевой вибратор
- Спиральные антенны
- "Волновой канал"
Примеры конкретных антенн показаны на рисунках 1…4
![Штыревая четвертьволновая антенна](/im/Radiocrafts/app1.jpg) Рис. 1. Штыревая четвертьволновая антенна |
![Спиральная антенна](/im/Radiocrafts/app3.jpg) Рис. 3. Спиральная антенна |
![Четвертьволновая антенна на печатной плате (материал FR-4)](/im/Radiocrafts/app2.jpg) Рис. 2. Четвертьволновая антенна на печатной плате (материал FR-4) |
![Волновой канал](/im/Radiocrafts/app4.jpg) Рис.4. " Волновой канал"
|
Самой распространенной ошибкой, приводящей к снижению дальности связи является представление об антенне, как о куске провода. Вот несколько простых принципов, которые необходимо соблюдать при конструировании антенн:
- размер антенны должен быть таким, чтобы обеспечивать резонанс в середине диапазона частот; размер антенны должен быть кратным четверти длины волны, при этом импеданс антенны можно считать активным
- близкое расположение земли и металлические экраны препятствуют излучению электромагнитных волн
- короткие антенны всегда уменьшают дальность связи, но это бывает необходимо при недостатке места для полноразмерной антенны
- если используется четвертьволновой штырь, монтируемый на печатную плату, то на плате должно выполняться заземление в виде полигона, размеры которого должны быть такими же, как и антенна (рисунок 5)
![Четвертьволновой штырь на плате](/im/Radiocrafts/app5.jpg) Рис. 5. Четвертьволновой штырь на плате
- если антенна должна работать в различных положениях - горизонтальном и вертикальном, необходимо выполнить изгиб под прямым углом в центре
- используйте 50 Ом коаксиальный кабель для соединения модуля с удаленной антенной
- под антеннами, выполненными печатными проводниками на двухслойной плате не должно быть никаких полигонов
- большая частота означает большие потери, а следовательно, меньшую дальность связи
- большая скорость передачи данных ведет к снижению дальности, т.к. расширяется полоса частот канала
Параметры различных типов антенн (коэффициент усиления, диаграмма направленности, размеры) даны на рисунке 6
|
Коэффициент усиления |
![](/im/Radiocrafts/app6_1.jpg) |
: 0 dB |
![](/im/Radiocrafts/app6_2.jpg) |
5.15 dB 5/8l: 8.2 dB |
![](/im/Radiocrafts/app6_3.jpg) |
2.15 dB 5/8l: 5.2 dB |
![](/im/Radiocrafts/app6_4.jpg) |
5-10 dB (и более) |
Рис. 6 |
Рассмотрим подробнее примеры различных антенн ISM диапазона и их особенности.
Короткие антенны
При недостатке свободного пространства могут применяться укороченные антенны. При этом используется последовательно включаемая индуктивность. Применение таких антенн всегда связано с потерями и уменьшением дальности связи.
Керамические антенны
![Керамическая антенна](/im/Radiocrafts/app7.jpg) Рис. 7. Керамическая антенна
Используются свойства керамики, в которой длина волны меньше. Производители керамических антенн: www.fractus.com, www.johansontechnology.com, www.yageo.com.
PCB-антенны
Наиболее эффективна, так как может быть выполнена на той же плате, что и модуль, кроме того, благодаря форме печатного проводника излучение имеет вертикальную и горизонтальную поляризации.
![PCB антенна](/im/Radiocrafts/app8.jpg) Рис. 8. PCB антенна
Спиральные антенны
Излучают электромагнитную энергию в направлении, перпендикулярном оси намотки. Могут рассматриваться, как штыревая антенна, свитая в спираль. Коэффициент усиления спиральной антенны больше, чем у других антенн в тех же габаритах.
![Спиральная антенна](/im/Radiocrafts/app9.jpg) Рис. 9. Спиральная антенна
PIFA-антенна (Planar Inverted F-antenna, пример для диапазона2.4 GHz)
![](/im/Radiocrafts/app10.jpg)
Пример построения системы передачи данных с репитерами
Модули семейств RC10xx и RC12xx, как известно, содержат микропрограммное обеспечение (firmware), реализующее оригинальный протокол передачи RC232, разработанный RADIOCRAFTS (см. раздел "Протокол RC232"). Это позволяет организовать связь между модулями, и строить большие и сложные сети, используя последовательный интерфейс UART.
Часто бывает необходимо передавать данные из одного места в другое, когда необходимая дальность связи намного превосходит достижимую, а мощность передатчика в ISM диапазоне ограничена. Примером может служить передача телеметрической информации вдоль дорог или в других протяженных зонах. Решить такую задачу можно, расположив модули в форме вытянутого кластера, а передача информации будет осуществляться модулями, выполняющими роль репитеров (повторителей). Реализовать репитер без применения микроконтроллера можно, соединив модули, как показано на рисунке.
![епитер, составленный из двух](/im/Radiocrafts/app11.jpg) Рис. 11. Репитер, составленный из двух
Второй модуль ретранслирует приходящие пакеты далее. При этом он может быть настроен на другую частоту, либо работать на той же частоте, но с другим адресом.
На рисунке 11 показан пример построения сети с передачей через репитер, составленный из двух модулей. Репитер работает с оконечными устройствами (Nodes) на одной частоте Frequency 1, а с коллектором (Collector) на частоте Frequency 2. Модуль репитера со стороны Frequency 1 имеет UID (Unique ID) = 05, соответственно Nodes имеют DID (Destination ID)=05. Это позволяет передавать пакеты к репитеру. Репитер имеет DID=255, т.е. широковещательный (Broadcast) и передает пакеты всем оконечным устройствам. Репитер связывается с коллектором на частоте Frequency 2, UID одного равен DID другого, что позволяет им работать только друг с другом.
![Пример сложной сети с репитером](/im/Radiocrafts/app12.jpg) Рис. 12. Пример сложной сети с репитером
|