突破低功耗RF系统设计的瓶颈

(λ)和范围或距离的单位都是米。根据这两个公式计算出来的结果是非常接近的。请注意，这是无障碍的自由空间损耗。距离每增加一倍，损耗增加约6dB。

如果存在障碍物，就必须加入一些修正系数。平均损耗系数对墙来说是3dB，对窗户来说是2dB，对外墙建筑来说是10dB。

在路径损耗确定之前，还要加入衰落余量。这个"附加因素"可以确保在恶劣天气、太阳事件或异常噪声和干扰条件下仍有良好的链路可靠性。这样，发送器功率和接收器灵敏度将足以克服这些临时状况。

衰落余量系数只是一个猜测值。一些保守的设计师认为应该是15dB，也有设计师认为10dB是可接受的。如果异常天气或其它条件不用考虑，那么5dB也许就可以了。将这个系数增加到路径损耗中，然后再对其它各项作进一步调整。

另外一个有助于评估需求的便利公式是Friis公式：

PR= PT*GR*GT*λ2/(16π2*d2)

其中PR是以瓦为单位的接收功率，PT是以瓦为单位的发送功率，GR是接收天线增益，GT是发送天线增益，λ是以米为单位的波长，d也是以米为单位的距离。发送和接收增益用功率比表示。对于双极子或地平面天线来说等于1.64。像波导天线或片状天线等方向性天线都有方向增益，通常用dB表示，但必须转换为功率比。这个公式也说明了为何更低频率(更长波长)可以覆盖更大的范围(λ=300/fMHz)。

发送器输出功率是另一个关键参数，通常用dBm表示。一些常见的输出功率值为0dBm(1mW)、10dBm(10mW)、20dBm(100mW)和30dBm(1 W)。接收器灵敏度通常也用dBm表示，代表接收器可以分辨和解调的最小信号功率，典型值在-70dBm至-120dBm范围内。

最后一个要考虑的因素是电缆损耗。大多数工程中使用同轴电缆将发送器和接收器连接到天线。工作在UHF和微波频率的电缆损耗出奇的高。在2.4GHz或以上时电缆损耗高达每英尺几个dB。因此，要确保电缆长度最短。

另外，也可以在市场上寻找低损耗的特殊电缆。这种电缆的成本可能有点高，但如果不怕麻烦的话，你总是能找到每英尺损耗低于1dB的合适同轴电缆。当使用塔顶天线、使电缆变得很长时这点尤其重要。你可以用增益天线补偿损耗，但尽量缩短长度和使用最好的电缆仍是最佳选择。

在得到所有这些信息后，就可以得到最终计算结果等于：发送功率(dBm)+发送天线增益(dB)+接收天线增益(dB)–路径损耗(dB)–电缆损耗(dB)–衰落余量(dB)

这个数值应该好于接收器灵敏度。现在所有事情都尘埃落定，只需关注各个参数的最终规格。不过仍有两大设计问题--天线及其阻抗匹配。

天线的来源有很多。无线模块很可能随附天线和/或天线建议。最常见的是四分之一波或半波垂直天线。在将天线置入产品中时，陶瓷类型很常见，PCB上的简单铜环也很普及。遵循制造商的建议可以获得最佳效果。如果是单芯片设计，需要在接收器和天线之间设计阻抗匹配网络。大多数芯片公司都能提供经实际验证的建议。否则，就要设计自己标准的L、T或πLC网络。

有关测试的最后一点提示：美国CFR 57规范Part 15使用场强表示幅射功率，单位是毫伏每米(μV/m)。场强计在特定距离进行测量，结果可以转换成瓦，以确保发送器在规范要求之内。以下是十分近似的公式，可以用来完成功率和场强之间的转换：

V2/120π ≈ PG/4πd2

其中P是以瓦为单位的发送器功率，G是天线增益，V是单位为μV/m的场强，d是以米为单位的从发送天线到场强计天线的距离。在发送天线增益为1且一般FCC测试距离3米的条件下，简化的近似值P≈0.3V22。

方案实例

FreeWave Technologies公司有一系列可靠、高性能的扩展频谱和获得许可的无线电产品，这些产品主要用于重要数据传输。高速MM2-HS-T(TTL接口)和MM2-HS-P(以太网接口)可以嵌入OEM产品，如传感器、远程终端单元(RTU)、可编程逻辑控制器(PLC)、机器人以及无人驾驶车辆。这些产品工作在900MHz频带，使用直接序列扩频(DSSS)技术。

由于这些无线电产品的空中速度高达1.23Mbps，用户可以在更短的时间内发送更多的数据。MM2-HS-T是要求高数据速率的嵌入式应用的理想之选，例如视频和长距离应用(最远达60英里)。这两种无线电产品都适合需要发送大量数据(包含多幅高分辨率图像和视频)的众多工业、政府和军事应用。

MM2-HS-T的尺寸为50.8x36x9.6mm，重量为14克(图1)。MM2-HS-P共享同样小的外形尺寸。这两种无线电产品都提供带匹配滤波器并且基于RISC的信号解调功能，以及采用多级声表面波(SAW)滤波器的砷化镓(GaAs)FET射频前端。两者的有机结合提供了无可比拟的过载防护和灵敏度。

图1：FreeWave MM2-HS-T 900MHz无线电产品面向嵌入式军事电子和工业应用。