从无线产品背后看射频基本知识

相信很多客户在看产品说明书时有些明明参数记住了，但当用的时候又忘记了。其实懂得了这些参数背后的道理之后，使用起来才会熟稔于心。本次无线通信的小课堂从原理上来回答两个问题：一是无线模块离G1100网关最远的距离是多少？二是架设G1100网关的时候应该架多高？

1、 为什么无线模块离G1100网关最远的距离是200m？

为了回答这个问题，我们需要看一下无线信号从网关发射到被模块接收的全过程。以一个完整的传输过程如下图所示：

无线信号从G1100网关发射，固定的发射功率是10dBm。其中dbm是功率单位，表示相对于 1mW 的分贝，因此 0dBm 等于 1mW，公式为dBm = 10lg10P mv。802.11 设备的发射功率介于 1mW 和 100mW 之间。

信号在电路中会损失3dB。dB 是一个比较单位，用功率比来表示功率损耗具体公式，dB = 10lg(P1/P2)，简单来说：每 3dB 的增益或损耗，意味着功率的加倍或减半；每 10dB 的增益或损耗，意味着功率乘10或除10。这时信号强度是10-3=7dBm。

信号在经过电缆损失后，在天线会产生功率增益，单位是dBi。这里需要说明天线是无源器件，是以牺牲其他方向为代价，将辐射能量集中到方向，从而获得增益。dBi和dB 类似，也是一个比较单位，数值越大，增益越高。这时候计算的信号强度是7+3=10dBm.

在经过50m自由空间损失70dB，接收端天线增益3dB，电缆损失3dB后，接收端的信号强度RSSI为-60dBm。每个无线设备都有一个接收灵敏度，以M1100S模块为例，它的接收灵敏度是-93.1dBm，此时-60dBm的RSSI要大于接收灵敏度，所以该信号能被接收端听到。

所以当计算无线设备可以离网关多远时，G1100网关的频率为2.4GHz，发射功率为10dBm。根据自由空间无线通信距离传输公式Loss（dB）=32.44+20logD（Km）+20logF（MHz）。10dBm的发射功率下，200m左右接收端的信号强度就会低于-100dBm。因此G1100网关的传输距离在200m左右。

2、 架设G1100网关推荐高度是多少？

为解释这个问题需要引进菲涅尔带的概念，菲涅尔带是一个在发射天线和接收天线之间的椭圆体(椭圆体上两个焦点之间反射和入射距离之和相同)。

以一个垂直极化天线系统为例，我们需要了解在第一菲涅尔带边界这个距离上反射的电磁波存在半个波长滞后。因此，当反射波(橙色波)在接收天线上的相位偏移等于一个波长，使得其与直射波（绿色波）在接收天线上同相位的时候，总接收信号强度(红色波)会变得更强。

那无线发射端是不是越高越好呢？也不是，如果反射高度在第二个菲涅带的时候，当反射波(橙色波)在接收天线上的相位偏移等于半个波长，使得其与直射波（绿色波）在接收天线上相反相位的时候，总接收信号强度(红色波)会变得更弱。

因此我们在实际情况中会架设发射端，满足在第一菲涅尔区(First Fresnel zone)内没有对无线电波造成遮挡的物体，尽可能不超过其菲涅尔区的20％。否则电磁波多径传播就会产生不良影响，导致通信质量下降，甚至中断通信。

实际架设我们的G1100网关时，推荐的架设高度是这样的：

根据问题一的结论，接收端到发射端的距离d=200m，由图所示直射波和反射波带来的相位变换δ=4πhthr/λd。障碍物的反射高度要在菲涅尔区的80％，故2.4GHZ电磁波的波长为140m，距离为200m的情况下，可以通过几何关系算出△h=ht-hr= 2m。通常情况下基础设施hr会离地2-4米，因此网关推荐的放置高度为离地4-6m。