Como a frequência afeta a capacidade de atravessar objetos nas transmissões de RF?

Ou talvez, quais são as melhores bandas / modulações para escolher se eu precisar transmitir dados com eficiência em um caminho com obstáculos de heavy metal?

Preciso criar vários dispositivos para transmitir periodicamente pequenas rajadas de dados em um grande local de armazenamento cheio de contêineres de metal (vazios ou com conteúdo desconhecido). Tenho realizado testes com transceptores ZigBee (por exemplo, linha ZigBit da Atmel) com vários graus de sucesso. Eu tive resultados muito ruins nas bandas de 2,4 GHz e resultados muito aceitáveis ​​nas bandas de 900 MHz. No entanto, algumas pessoas me disseram que eles tiveram a experiência exatamente oposta (no caso deles, eles estavam usando módulos XBee de 2,4 GHz / 900 MHz). Estou ciente de que 433 MHz também é uma banda comum, e é claro que também há 5,8 GHz.

Portanto, a parte principal da pergunta é se existe algum tipo de gráfico ou conhecimento comum sobre quais frequências são particularmente boas ou ruins para esse tipo de transmissão. Estou interessado nas bandas que posso usar em pequenos dispositivos (por exemplo, do tamanho do telefone) com energia da bateria. Um alcance de 50 ~ 100 metros / jardas com obstáculos seria muito bom. Além disso, deve haver algum tipo de chipset ou módulo disponível comercialmente para lidar com a parte de RF do dispositivo (ou seja, modulação, front-end de RF, detecção de canal claro, detecção de preâmbulo etc.); Eu mesmo posso lidar com os protocolos de nível superior.

Idealmente, seria uma banda para a qual eu possa usar algum tipo de antena que não seria sintonizada com muita facilidade se colocada muito perto de um grande objeto de metal (2,5 cm.). Venho testando principalmente com antenas chicote e helicoidal. Meus dispositivos devem ser colocados muito perto das superfícies metálicas que precisam ser superadas!

No entanto, não posso contar com: direcionalidade da antena, localização / orientação do dispositivo, locais fixos do transceptor, etc. Todos os dispositivos serão colocados de maneira aleatória e escassa. Eu só preciso fazer o melhor que posso. Só posso contar com uma coisa: os dispositivos sempre estarão na posição vertical.

A regra geral que muitas pessoas usam é que frequências mais baixas terão melhor "penetração" do que frequências mais altas. Isso é verdade em alguns casos, mas não em todos. Provavelmente, isso é derivado do cálculo da profundidade da pele dos materiais. A profundidade da pele é o quão profundamente em um material uma onda eletromagnética de uma frequência específica pode penetrar. A equação usada quando o material é um bom condutor é:

onde ρ é a resistividade e μ é a permeabilidade do material. O que você deve observar, porém, é que, à medida que a frequência ( ) aumenta, a profundidade da pele fica mais rasa. Aqui está um exemplo prático do que isso significa: seu microondas dispara ondas de rádio a 2,4 GHz. Se você colocar um bife grosso e gigante, e medirmos sua resistividade e permeabilidade, podemos calcular a espessura máxima do bife que você pode cozinhar no microondas. Qualquer coisa mais profunda que a profundidade da pele não será cozida, porque toda a energia do microondas já terá sido absorvida.$\omega$

Existem gráficos como você mencionou sobre quão bem diferentes materiais absorvem as ondas de rádio, mas elas não são lineares ou previsíveis; portanto, não há realmente uma regra prática que seja fácil de aplicar. Veja como todos os elementos da tabela de período absorvem fótons (radiação eletromagnética). A energia no eixo Y é proporcional à frequência:

Mas este gráfico de absorção de ferro (de acordo com diferentes mecanismos) mostra como as coisas ficam mais confusas quando você aumenta o zoom:

Mas na sua aplicação, há outro fator em jogo, que provavelmente tem um efeito maior. Quando seu transmissor começa a funcionar em suas grandes instalações, ele envia uma onda eletromagnética em todas as direções (supondo que você não esteja usando uma antena direcional). Essas ondas vão viajar pelo ar até encontrar outro meio, como o metal nos recipientes. Quando a onda atinge esse contêiner, parte da energia é absorvida no contêiner e parte é refletida no contêiner. A parte refletida viajará até atingir outra coisa e, em seguida, algumas serão absorvidas e outras serão refletidas novamente. Isso é chamado de caminhos múltiplos. Sua antena receptora pode receber várias cópias do sinal originalmente transmitido, com um pouco de atraso. Aqui'

Como os efeitos de caminhos múltiplos podem causar ondas que interferem destrutivamente entre si, é provavelmente por isso que você está obtendo resultados conflitantes. A posição da antena, do transmissor e dos contêineres mudará muito o desempenho e, se as coisas estiverem se movimentando nas instalações, você poderá receber um ótimo sinal por um momento e, de repente, será terrível.

Lidar com caminhos múltiplos é difícil, mas aqui estão algumas coisas que você pode tentar. Torne a antena de recebimento direcional, de modo que, esperemos, tenha uma baixa sensibilidade aos sinais refletidos. Se você conseguir colocar as antenas bem acima dos contêineres, isso também pode ajudar. Eu experimentaria um transmissor de 433 MHz (existem várias empresas que fabricam módulos) porque acho que você obterá melhor desempenho contra 2,4 GHz ou 5,8 GHz.

Freqüências mais altas tendem a refratar mais e responder mais dramaticamente a ângulos agudos, como na propagação da lâmina da faca. Às vezes, isso pode ser bom, pois permite que seu sinal chegue a lugares que não poderia alcançar. Pode ser necessário modificar sua antena uma vez montada, pois os recipientes de metal afetarão a ressonância da antena, mas modificando-os para diminuir o swr depois que eles estiverem no lugar, você poderá neutralizar muito disso. Você não deseja que a frequência emitida seja muito alta ou muito baixa, ou ela não responderá bem em um ambiente de metal alto. Em algum lugar na área de 150-1000 MHz provavelmente funcionaria bem.
Para encontrar a polaridade dessa antena, você pode conectá-la a um transmissor e ouvir o sinal transmitido em outro rádio a alguma distância. Tente inclinar a antena no rádio receptor para frente e para trás entre alinhado verticalmente e alinhado horizontalmente. Quando o sinal é mais forte, é a polarização da antena transmissora. Pode haver uma queda de até 90% na intensidade do sinal quando a polaridade das duas antenas é diferente.