遠程無鑰匙進入系統中的路徑損耗

在遠程無鑰匙進入 （RKE） 系統中，通過從遙控鑰匙發送到汽車接收器的無線電代碼從遠處解鎖汽車。RKE系統通常在包括315MHz和433.92MHz在內的免許可ISM頻段的頻率下運行。隨著遠程啟動功能和帶驗證功能的雙向RKE的出現，設計人員希望增加這些短程器件的可用范圍。用高頻、容差鎖相環發射器代替SAW諧振器發射器，可以使用帶寬較窄的接收器。RFIC接收器利用這些較窄的帶寬來提高靈敏度，從而增加可用范圍。一旦確定了發射功率和接收器靈敏度，信號從發射器到接收器的路徑損耗是可用范圍的主要決定因素。本應用筆記描述了無線電信號的接地反彈如何影響路徑損耗，并給出了路徑損耗的簡化近似公式。圖表將路徑損失預測為空停車場距離的函數。最后，該說明提供了預測多路徑信號和阻塞影響的指南。

介紹

在遙控無鑰匙進入 （RKE） 系統中，汽車駕駛員通過將編碼無線電信號從遙控鑰匙通過空中傳輸到汽車中的接收器來解鎖汽車。接收器解碼信號并控制打開門的執行器。

RKE系統的一個重要性能基準是其有用范圍。此范圍由鏈路預算計算確定，其中最關鍵的因素是從密鑰卡傳輸的功率、接收器的靈敏度和路徑損耗。通過仔細匹配遙控鑰匙中的小天線，可以提高發射功率。使用鎖相環發送器（如MAX1479）和鎖相環RFIC接收器（如MAX1471）可以提高靈敏度。本應用筆記僅關注路徑損耗。它顯示了路徑損耗如何取決于發射器和接收器之間的距離、無線電傳輸的頻率以及發射器相對于接收器的高度。

接地反彈時的路徑損耗

在“空停車場”環境中，超過幾米的路徑損耗的最顯著特征是它隨著距離的 4 次方而變化，而不是自由空間傳輸中距離的平方。實際上，路徑損耗與頻率無關，對于具有單位天線增益的小天線，路徑損耗遵循一個非常簡單的公式：

其中 R 是發射器和接收器之間的水平距離，h1是發射器高度，h2是接收器高度。

我們是如何得到這樣一個緊湊、易于記憶的路徑損耗方程的？簡短的回答是“地面反彈”。在靠近地面的任何位置，無線電傳輸都采用從發射器到接收器的直接路徑和接地反彈路徑，如圖1所示。

圖1.地面反彈路徑損耗圖。

地面反彈貢獻可以被認為是鏡子的反射。它以傳統地形的180°相移反射，并且比直接貢獻的行進距離更長。這兩個貢獻在接收器處重新結合，如果不是因為路徑長度差異，它們將完全抵消。

直接和地面反彈距離由公式2和3給出。

對于 R、R1/ 12>>小時1， h2，這些表達式由公式 4 和公式 5 近似。

兩個距離之間的差值由公式6給出。

地面反彈是多徑傳輸的一個簡單示例：發射的無線電波從多個表面反彈，導致具有不同幅度和延遲的多個信號到達接收器。

在自由空間中，只有一條傳輸路徑，接收器處的信號功率由公式7給出：

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，λ是波長。

回想一下，當接地存在時，傳輸的功率采用兩條路徑：直接和地面反彈。有很多方法可以模擬這種傳輸 - 其中大多數都值得研究生論文。顯示第二條路徑效果的一種合理而直觀的方法是假設一半的功率進入直接路徑，一半進入地面反彈路徑。因此，有兩個相位略有不同的電壓在接收天線處減去（記住反射的180°相位反轉）。公式8顯示了這兩個電壓組合的復數表示。

兩個電壓，V1和 V2，對于大多數平地條件，其幅度幾乎相同。我們可以將 V 視為“電壓”（在本例中為伏特/歐姆）1/2），等于接收功率的一半平方根，或如公式9所示：

接收到的功率只是公式8中組合電壓的平方幅度。

將公式9中的V代入，并將復指數項組合成三角函數，將精確路徑損耗的方程降低為：

如果我們將等式 6 中 ΔR 的近似值代入等式 11，并將 sinx 近似≈ x，我們得到以下簡化表達式：

對于具有寬角度覆蓋范圍的小型天線，天線增益幾乎是統一的。將公式 12 表示為 P 的比率R/PT并設置 GT= GR= 1，得出等式 1 的近似值。

圖2和圖3顯示了具有單位增益的天線在315MHz和434MHz處的路徑損耗方程圖。包括公式7的自由空間路徑損耗、公式11給出的精確路徑損耗以及公式12給出的近似路徑損耗。我們可以看到，確切的路徑損耗在近距離上變化很大，并且取決于信號頻率。

從這兩個圖中可以看出，考慮到圖1中的典型RKE幾何形狀，10米距離處的路徑損耗可以用自由空間路徑損耗來近似。這是因為在300MHz至400MHz處，直接貢獻和地面反彈貢獻的距離相差約四分之一的波長，導致90度的相位差。這意味著這兩項貢獻既沒有建設性的，也沒有破壞性的增加。

但是，在距離大于 10 米時，路徑損耗變化為 R-4，這意味著公式1中的表達式是針對距車輛中長距離的路徑損耗的非常有用的快速計算方法。實際上，對于相等的發射和接收高度h，以dB為單位的路徑損耗很簡單：

也就是說，對于1米高的發射器和接收器，1km處的路徑損耗為-123dB。

圖2.從RKE遙控鑰匙到車輛接收器的315MHz信號的路徑損耗。

圖3.從RKE遙控鑰匙到車輛接收器的434MHz信號的路徑損耗。

使用路徑損耗計算的提示

來自發射器的功率在直接路徑和接地路徑之間分配的方式并不精確。這就是為什么公式12和13中的表達式有時會有2倍的變化，具體取決于模型。然而，重要的是，本應用筆記中的表達式非常接近可實現的最佳范圍性能，并描述了路徑損耗如何隨高度和距離而變化。

自由空間損失模型可用于距離車輛 10 米以下的范圍，只要您了解該 10 米內的地面反彈反射可能會發生很大變化。對于在無障礙環境中大于 10 米的范圍，R-4可以使用近似值。

任何其他散射表面的存在都會增加任何給定距離處路徑損耗的變化。任何障礙物（停車場的其他汽車、燈桿、低矮的建筑物等）都會產生更多的反彈路徑，衍射無線電波，在混凝土建筑物的情況下，會衰減它們。這意味著 R-4損失行為，盡管與自由空間損失相比看起來很糟糕，但實際上非常樂觀。在現實環境中，一個好的準則是從公式20中的“空停車場”損耗中減去1dB，以允許來自多個表面的瞬時衰落。如果遙控鑰匙位于建筑物內（例如，在遠程啟動應用中），則從公式30中的損耗中減去40dB至1dB。

歸根結底，確定最大范圍的最可靠方法是通過實證測試。上面的近似值是一個參考點或“健全性檢查”，從中開始測量。

審核編輯：郭婷