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

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

Necesito construir una serie de dispositivos para transmitir periódicamente ráfagas cortas 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 pobres 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 2.4GHz / 900MHz). 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 chipset o módulo disponible comercialmente para tratar con la parte de RF del dispositivo (es decir, modulación, extremo frontal 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 sintonizaría demasiado fácilmente si se colocara muy cerca de un objeto metálico grande (a 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 necesita superar!

Sin embargo, no puedo contar con: direccionalidad de la antena, ubicación / orientación del dispositivo, ubicaciones del transceptor fijo, 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.

La regla general que mucha gente usa 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 puede penetrar en un material una onda electromagnética de una frecuencia particular. La ecuación utilizada cuando el material es un buen conductor es:

donde ρ es la resistividad y μ es la permeabilidad del material. Sin embargo, lo que debe notar es que a medida que la frecuencia ( ) aumenta, la profundidad de la piel disminuye. Aquí hay un ejemplo práctico de lo que eso significa: su microondas dispara ondas de radio a 2.4 GHz. Si coloca un filete gigante y grueso, y medimos su resistividad y permeabilidad, podemos calcular el grosor máximo del filete 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.$\omega$

Hay cuadros como el que mencionó 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. Aquí le mostramos qué tan bien cada elemento en la tabla de períodos absorbe fotones (radiación electromagnética). La energía en el eje Y es proporcional a la frecuencia:

Pero esta tabla de absorción de hierro (de acuerdo con diferentes mecanismos) muestra cómo las cosas se vuelven más desordenadas cuando se acerca:

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, emite una onda electromagnética en todas las direcciones (suponiendo que no esté usando una antena direccional). Esas olas viajarán por el aire hasta que encuentren otro medio, como el metal en los contenedores. Cuando la ola golpea ese contenedor, parte de la energía se absorbe en el contenedor y parte se refleja en el contenedor. La parte que se refleja viajará hasta que golpee otra cosa y luego parte será absorbida y otra se reflejará nuevamente. Esto se llama multitrayecto. Su antena receptora podría obtener un montón de copias de la señal transmitida originalmente, todas ligeramente retrasadas. Aquí'

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

Es difícil lidiar con la trayectoria múltiple, pero aquí hay un par de cosas que puedes probar. Haga que la antena de recepción 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 compañías que fabrican módulos) porque creo que obtendrá un mejor rendimiento en comparación con 2.4 GHz o 5.8 GHz.

Las frecuencias más altas tienden a refractarse más y responder 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 que de otro modo no podría alcanzar. Es posible que deba modificar su antena una vez que está 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 de metales altos. En algún lugar en el área de 150-1000 MHz probablemente funcionaría bien.
Para encontrar la polaridad de esa antena, puede conectarla a un transmisor y escuchar la señal transmitida en otra radio a cierta distancia. Intente inclinar la antena en la radio receptora hacia adelante y hacia atrás entre alineada verticalmente y 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.