Что лучше для электронных пультов: 433, 868 или 2400 МГц?

Что лучше для электронных пультов: 433, 868 или 2400 МГц?

В последние годы в электронной технике беспроводного управления (выключатели и др.) всё более ощутима тенденция перехода на более высокие несущие частоты. А именно, с традиционных 433 МГц на 868 и 2400 МГц. Что даёт такой переход на более энергоёмкий диапазон и чем вызвано это решение конструкторов, требующее переработку большого количества готовой документации?

По опыту развития компьютеров и аппаратов мобильной связи увеличение рабочей частоты было вызвано необходимостью повышения их производительности и сопровождалось миниатюризацией и повышением плотности упаковки. Это наглядно видно каждому потребителю, пережившему несколько этапов эволюции компьютеров и сотовых телефонов. Аналогичный этап развития переживают и другие средства дистанционного управления, системы наблюдения и пожарной охраны.

Про основной недостаток полосы 433 МГц

Общепринятыми в мире стандартами по регулированию частотных диапазонов для потребительского использования без специальных разрешений и лицензий выделены определённые полосы. Так, наиболее популярным и традиционным является полоса 433-447 МГц. Диапазон обладает хорошей энергоёмкостью, обеспечивающей уверенную связь в пределах мегаполиса при небольших размерах антенны и минимальной мощности передатчика (не более 10 мВт).

С быстрым увеличением количества оборудования, работающих в этом диапазоне волн, стала ухудшаться ситуация с их электромагнитной совместимостью. Создаваемые взаимные помехи бесчисленным множеством различных электронных устройств, работающих на одной несущей частоте и находящихся вблизи, приводят к ложным срабатываниям и нестабильной работе этого оборудования. Засорённость эфира в узкой частотной полосе ухудшают стабильность и надёжность работы многих беспроводных систем.

Так, на этой частоте могут одновременно функционировать автоматические шлагбаумы и ворота, дистанционные фонари и розетки, связные радиостанции и радиоуправляемые детские игрушки. Здесь же могут работать исполнительные устройства «умного дома». Если они располагаются достаточно далеко друг от друга, то их взаимное влияние будет ослаблено. Но в условиях крупного современного города с большой плотностью населения проблемы электромагнитной совместимости являются особенно актуальными.      

Про частотный диапазон 868 МГц

Устройств, работающих по беспроводной технологии, с годами становится только больше. Несмотря на использование различных методов модуляции и кодирования, применение цифрового преобразования и других способов разделения сигналов, добиться существенного улучшения ситуации с уменьшением взаимных помех не удаётся. Поэтому коренным решением проблемы является переход на другой диапазон частот, находящийся в кратной удалённости от прежней полосы, – в пределах 868-870МГц.

Данный диапазон волн также можно использовать без разрешительных лицензий. При этом по требованию надзорных органов выходная мощность излучателей радиоволн не должна превышать 25 мВт. Чем выше частота излучения, тем больше проникающая способность электромагнитных волн и их защищённость от воздействия случайных промышленных помех.

Про дальность действия радиосвязи

Дальность действия радиотехнических систем связи определяется такими факторами, как мощность передатчика, чувствительность приёмника и условия распространения электромагнитных волн. Так как мощность излучателей ограничивается требованиями стандартов, то большое значение для увеличения дальности действия приборов приобретают второй и третий из указанных выше факторов.

С повышением несущей частоты увеличивается помехозащищённость приёмника за счёт возможности использовать более узкую полосу пропускания. Это способствует повышению чувствительности приёмника, за счёт ограничения организованных и шумовых помех, а значит и дальности связи. Однако уже в гигагерцовом диапазоне эти возможности ограничиваются пределами нестабильности частоты кварцевых резонаторов. Поэтому на 868 МГц достигается чувствительность приёмных микросхем – 125 дБ/м, а на 2400 МГц – не более -102 дБ/м.

Кроме того, по способности волн преодолевать железобетонные стены диапазон 868 МГц гораздо предпочтительнее по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц. То же самое касается и условий распространения в открытом пространстве, что объясняется особенностями строения атмосферы. На затухание волн влияет также влажность и загрязнённость воздуха. Существует эмпирическое правило радиоинженера: двукратное увеличение частоты в 2 раза сокращает дальность связи.

Более высокая частота выгодна тем, что даёт возможность уменьшать размеры антенны и повышать её эффективность излучения. Кпд антенны максимальна, когда её длина равна четверти, половине или всей длине излучаемой радиоволны. Частотам 2,4 ГГц, 868 и 433 МГц соответствуют длины волн 13, 35 и 70 см. Переход на более короткие волны также уменьшает влияние на качество связи помех от работы промышленных установок (трансформаторов, троллейбусных и трамвайных линий, промышленных генераторов и др. источников, создающих общий шумовой фон электромагнитных излучений).

С другой стороны более короткие волны теряют способность огибать препятствия (дифракция волн). 35 сантиметровые волны (868 МГц) наиболее эффективны в городских условиях с плотной застройкой домов и стационарными установками. Для мобильных устройств с постоянным перемещением установок более предпочтительна длина волны 70 см (433 МГц).  Кроме того, технология производства приёмопередатчиков, работающих на частоте 868 МГц, более простая и экономичная, что обеспечивает высокую надёжность и долговечность работы.

Про габариты станций

Габариты приёмопередатчиков в основном определяются не выбором частотного диапазона и сложностью схемы, а размерами антенн. В качестве всенаправленных антенн проектировщики в большинстве случаев выбирают четвертьволновые вибраторы. При этом эффективная длина антенны для диапазонов 433 и 868 МГц составляет 17,3 и 8,2 см соответственно. Использование более коротких антенн снижает их эффективность, несмотря на применение различных схемных ухищрений в виде эквивалентов антенн.

Волны этого диапазона лучше распространяются и в коаксиальных кабелях, что позволяет легко удалить антенну от передатчика в пределах нескольких метров. Это очень удобно для мобильных устройств, устанавливаемых на транспортных средствах. Сигнал с частотой 2,4 ГГц будет сильно затухать в коаксиальном кабеле. Для удаления антенны от такого приёмопередатчика требуется специальный волновод.

Ещё раз про электромагнитную совместимость

Диапазон 2400 МГц уже использует большое количество бытовой электроники. На этой частоте функционируют роутеры беспроводного Интернета, модули Bluetooth сотовых телефонов, компьютерные приставки и внешние устройства, микроволновые печи. Эти источники могут излучать волны очень продолжительное время и учесть их работу практически невозможно.

В диапазоне 433 МГц работают системы охранной сигнализации. Однако режим их работы на излучение носит кратковременный характер, что позволяет нейтрализовать их влияние простым дублированием передаваемой информации. В отношении загруженности наиболее свободным диапазоном в России является 868 мегагерцовая полоса частот, так как она стала безлицензионной сравнительно недавно.

Для производителей устройств беспроводного дистанционного управления установлены определённые требования по обеспечению стабильности рабочей частоты, которые со временем только ужесточаются. Жёсткая привязка частоты особенно актуальна для города, где связь во многих местах обеспечивается за счёт многократного переотражения волн от многочисленных застроек и препятствий.

Про экономию электроэнергии

Закономерно, что чем больше частота излучения, тем больше электроэнергии будет потреблять передатчик.  В типовом режиме стандартный ZigBee-трансивер, работающий на 2400 МГц, потребляет от сети ток 20-40 мА. Аналогичные трансиверы на частоте 868 МГц имеют значение потребляемого тока в 2 раза меньше. Данные показатели характерны для активного режима работы трансивера. В пассивном дежурном режиме потребляемый ток устройств не зависит от частотного диапазона.

Для экономии электроэнергии и увеличения быстродействия систем управления используется сонный режим работы оборудования, когда энергия потребляется только для поддержания рабочей температуры деталей без излучения в пространство. В режиме сна не происходит обмена информацией. Это обеспечивает минимальное время включения аппаратуры в активный режим без переходных процессов, что даёт львиную долю экономии потребляемой энергии.

Заключительный вывод

Современный уровень развития микроэлектронных технологий позволяет конструировать различные недорогие и экономичные телеметрические, охранные и интеллектуальные устройства беспроводной автоматики, применяемые в промышленности и в быту и работающие в нелицензионных диапазонах волн. Наиболее перспективной и эффективной частотной полосой для таких устройств по различным критериям является диапазон 868 МГц. Он оптимален в отношении электромагнитной совместимости и условий распространения радиоволн.

перейти в интернет-магазин