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

Рис. 1. Штыревая четвертьволновая антенна	Рис. 3. Спиральная антенна
Рис. 2. Четвертьволновая антенна на печатной плате (материал FR-4)	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)

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
	: 0 dB
	5.15 dB 5/8l: 8.2 dB
	2.15 dB 5/8l: 5.2 dB
	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

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.

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.

Рис. 9. Спиральная антенна

PIFA-антенна (Planar Inverted F-antenna, пример для диапазона2.4 GHz)

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.

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.

Рис. 12. Пример сложной сети с репитером