¿Cómo afecta la frecuencia la capacidad de atravesar objetos en las transmisiones de RF?

O tal vez, ¿cuáles son las mejores bandas/modulaciones para elegir si necesito transmitir datos de manera eficiente en una ruta con obstáculos de metales pesados?

Necesito construir una serie de dispositivos para transmitir periódicamente breves ráfagas de datos en una gran instalación de almacenamiento llena de contenedores de metal (que están vacíos o llenos de contenido desconocido). He estado realizando pruebas con transceptores ZigBee (por ejemplo, la línea ZigBit de Atmel) con varios grados de éxito. He tenido resultados muy malos en las bandas de 2,4 GHz y resultados muy aceptables en las bandas de 900 MHz. Sin embargo, algunas personas que he conocido me han dicho que han tenido exactamente la experiencia opuesta (en su caso, estaban usando módulos XBee de 2,4 GHz/900 MHz). Soy consciente de que 433 MHz también es una banda común y, por supuesto, también hay 5,8 GHz.

Entonces, la parte principal de la pregunta es si hay algún tipo de gráfico o conocimiento común sobre qué frecuencias son particularmente buenas o malas para este tipo de transmisión. Estoy interesado en las bandas que puedo usar en dispositivos pequeños (por ejemplo, del tamaño de un teléfono) con batería. Un rango de 50~100 metros/yardas con obstáculos sería muy bueno. Además, debe haber algún tipo de conjunto de chips o módulo comercialmente disponible para manejar la parte de RF del dispositivo (es decir, modulación, interfaz de RF, detección de canal claro, detección de preámbulo, etc.); Puedo lidiar con los protocolos de nivel superior yo mismo.

Idealmente, sería una banda para la que pueda usar algún tipo de antena que no se desafine demasiado fácilmente si se coloca muy cerca de un objeto metálico grande (1 pulgada/2,5 cm. de él). He estado probando principalmente con antenas de látigo y helicoidales. ¡Mis dispositivos deben colocarse muy cerca de las superficies metálicas que debe superar!

Sin embargo, no puedo contar con: direccionalidad de la antena, ubicación/orientación del dispositivo, ubicaciones fijas del transceptor, etc. Todos los dispositivos se colocarán de manera muy aleatoria y escasa. Solo necesito hacer lo mejor que pueda. Solo una cosa con la que puedo contar es que los dispositivos estarán siempre en posición vertical.

Retroceda e intente describir funcionalmente lo que está tratando de lograr sin mencionar los tipos de transmisión o radio.
@Andy, gracias por tu interés. La información adicional de la aplicación es irrelevante ya que no puedo cambiar nada al respecto. Lo que necesito es asesorar sobre radio y tipos de transmisión.
Le pido que describa funcionalmente lo que necesita; no le pido que se olvide de la radio.
Necesito establecer una especie de red de "malla" entre nodos con sensores instalados magnéticamente en las puertas de los contenedores metálicos. Cada sensor funciona con pilas y debe transmitir datos a una antena base (que por cierto debe tener la misma electrónica que los nodos y se coloca en una esquina del local). Los datos se transmiten cada 4 minutos y el recuento de nodos puede ir de unos pocos a un par de miles. Existe un protocolo (ya probado en simulaciones de software) que puede manejar tantos nodos, siempre que el tiempo de transmisión del paquete de datos esté por debajo de ciertos límites; la visibilidad del nodo es la clave. ¿Eso ayuda?
¿El plan es que los sensores de las puertas sean "solo transmisores", es decir, solo transmisores ciegos y sí, su descripción de la funcionalidad ayuda mucho? Si solo transmite, entonces puedo decir que he hecho un sistema similar y para que funcione en condiciones de RF menos que ideales, utilicé múltiples receptores colocados estratégicamente, todos en RS485 con alimentación fantasma que alimenta una unidad de recopilación de datos. Piense en ello como un sistema celular en el que inicialmente se estableció el mejor receptor para un transmisor determinado mediante un proceso de configuración y luego se le indicó a cada receptor que reenviara solo los datos de ciertos transmisores.
El protocolo necesita que cada dispositivo sea un retransmisor. No puedo colocar nada "instalado a tierra" (como una instalación RS485 o Ethernet). Todos los dispositivos, incluso la base, funcionan con baterías y se pueden quitar a pedido. Imagine la bahía de carga de un barco. Los dispositivos se instalan cuando comienza el viaje y se retiran cuando llega el barco.

Respuestas (2)

La regla general que usa mucha gente es que las frecuencias más bajas tendrán una mejor "penetración" que las frecuencias más altas. Eso es cierto en algunos casos, pero no en todos. Esto probablemente se deriva del cálculo de la profundidad de la piel de los materiales. La profundidad de la piel es cuán profundamente en un material puede penetrar una onda electromagnética de una frecuencia particular. La ecuación utilizada cuando el material es un buen conductor es:

d = 2 ρ ω m  

donde ρ es la resistividad y μ es la permeabilidad del material. Sin embargo, lo que debe notar es que como frecuencia ( ω ) se hace más grande, la profundidad de la piel se vuelve menos profunda. He aquí un ejemplo práctico de lo que eso significa: su microondas emite ondas de radio a 2,4 GHz. Si coloca un bistec gigante y grueso allí, y medimos su resistividad y permeabilidad, podemos calcular el grosor máximo de bistec que puede cocinar en su microondas. Cualquier cosa más profunda que la profundidad de la piel no se cocinará, porque toda la energía del microondas ya habrá sido absorbida.

Hay gráficos como el que mencionaste sobre qué tan bien los diferentes materiales absorben las ondas de radio, pero no son lineales ni predecibles, por lo que no existe una regla general que sea fácil de aplicar. Así es como cada elemento en la tabla de períodos absorbe fotones (radiación electromagnética). La energía en el eje Y es proporcional a la frecuencia:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Pero este gráfico de la absorción de hierro (según diferentes mecanismos) muestra cómo las cosas se complican cuando haces zoom:

http://forums.solidsignal.com/content.php/190-What-is-multipath-and-what-can-I-do-about-it

Pero en su aplicación, hay otro factor en juego, que probablemente tenga un efecto mayor. Cuando su transmisor comienza a funcionar en su gran instalación, envía una onda electromagnética en todas las direcciones (suponiendo que no esté utilizando una antena direccional). Esas ondas viajarán por el aire hasta encontrar otro medio, como el metal de los contenedores. Cuando la ola golpea ese contenedor, parte de la energía se absorbe en el contenedor y otra parte se refleja fuera del contenedor. La parte que se refleja viajará hasta que toque algo más y luego una parte será absorbida y otra se reflejará nuevamente. Esto se llama multitrayecto. Su antena receptora puede recibir un montón de copias de la señal transmitida originalmente, todas ligeramente retrasadas. Aquí'

ingrese la descripción de la imagen aquí

Debido a que los efectos de trayectos múltiples pueden hacer que las ondas interfieran destructivamente entre sí, probablemente sea por eso que obtiene resultados contradictorios. La posición de la antena, el transmisor y los contenedores cambiarán mucho el rendimiento, y si las cosas se mueven en las instalaciones, es posible que obtenga una gran señal en un momento y luego, de repente, será terrible.

Tratar con múltiples rutas es difícil, pero aquí hay un par de cosas que puede probar. Haga que la antena receptora sea direccional, por lo que es de esperar que tenga una baja sensibilidad a las señales reflejadas. Si puede colocar las antenas muy por encima de los contenedores, eso también puede ayudar. Experimentaría con un transmisor de 433 MHz (hay un montón de empresas que fabrican módulos) porque creo que obtendrá un mejor rendimiento en comparación con 2,4 GHz o 5,8 GHz.

¡Gracias por su respuesta! De hecho, es un escenario de pesadilla para la transmisión de RF. La antena no es muy direccional ya que no puedo predecir la posición de cada sensor. Es un dipolo de látigo clásico de 1/4 de onda, por lo que es "más horizontal que vertical", lo cual es bueno para mí. Estoy de acuerdo con usted acerca de que la ruta múltiple es un gran problema. La sintonización de la antena también es un problema; No soy un experto en antenas, por lo que me resulta difícil predecir cómo lo afectará el entorno (¡o incluso la carcasa del dispositivo!). ¿Alguna pista para eso?
Bueno, si está sobre una superficie metálica conectada a tierra, es bueno para el rendimiento. Obviamente no coloque la antena dentro de una caja de metal. Para asegurarse de que se esté radiando toda la energía, puede usar un medidor SWR.
No está encima de la superficie metálica: ¡está al lado! Los contenedores metálicos tienen una altura de 2,5 metros y el dispositivo se coloca a media altura. Lo siento, no aclaré eso.
Eso le dará problemas ya que las paredes del contenedor paralelas a la antena comenzarán a irradiar (efecto de imagen) y cancelarán las ondas de la antena. La antena también se acoplará a las paredes de metal y su impedancia cambiará, por lo que obtendrá un VSWR más grande (lo cual es malo). Así que intente usar una antena polarizada verticalmente (en relación con las paredes de metal) y use un medidor SWR para asegurarse de que la antena coincida (es decir, toda la energía del transmisor se irradia a través de la antena, no se refleja de nuevo en el circuito del transmisor).
Vertical "en relación con las paredes de metal" sería perpendicular o paralelo a ellos? (el dispositivo está instalado en la pared, cerca de su centro). He estado haciendo pruebas con látigos colocados verticalmente (como parados del piso, paralelos a las paredes de los contenedores). También he probado con antenas helicoidales, también en posición vertical. Por cierto, ¿cómo puedo determinar la polarización de este tipo de antena? digikey.com/product-detail/en/W3012/553-1676-1-ND/2543337
Paralela. Si ha estado probando cosas verticalmente, entonces tal vez ya esté obteniendo todo lo que obtendrá de eso. No estoy seguro de cuál es la polarización de una antena de chip. Creo que la idea es que, aunque la antena del chip es más pequeña que la longitud de onda, la cargan con inductancia para que parezca eléctricamente más grande (aunque agrega pérdida). Entonces debería actuar como un pequeño dipolo y tener polarización lineal.

Las frecuencias más altas tienden a refractarse más y responden más dramáticamente a ángulos agudos, como en la propagación del filo de la navaja. Esto puede ser bueno a veces, ya que permite que su señal llegue a lugares a los que de otro modo no podría llegar. Es posible que deba modificar su antena una vez que esté montada, ya que los contenedores de metal afectarán la resonancia de la antena, pero al modificarlos para reducir la swr después de que estén en su lugar, puede contrarrestar mucho de eso. No desea que la frecuencia emitida sea demasiado alta o demasiado baja, o no responderá bien en un entorno con mucho metal. En algún lugar en el área de 150-1000 MHz probablemente funcionaría bien.
Para encontrar la polaridad de esa antena, podrías conectarla a un transmisor y escuchar la señal transmitida en otra radio a cierta distancia. Intente inclinar la antena de la radio receptora de un lado a otro entre alineada verticalmente y alineada horizontalmente. Cuando la señal es más fuerte, esa es la polarización de la antena transmisora. Puede haber una caída de hasta el 90 % en la intensidad de la señal cuando la polaridad de las dos antenas es diferente.