ما يتغير عند تغيير نطاق التردد المطبق في الاتصالات اللاسلكية لا يتم صياغته دائمًا بشكل صحيح حتى من قبل هواة الراديو ذوي الخبرة. من ناحية ، فإن صيغة تحويل Friis بسيطة للغاية ، ويبدو أنه لا يوجد شيء للمناقشة. من ناحية أخرى ، في هذه الصيغة ، بالإضافة إلى الإشارة صراحة إلى الطول الموجي λ ، فهي مخفية ضمنياً في معاملات أخرى. هناك العديد من الادعاءات والملاحظات والمقالات التي تفيد بأن طاقة الروابط اللاسلكية أسوأ مع الترددات الأعلى ، ولا توجد مقالات أقل عن "فضح الأسطورة" - لنفترض أن الترددات الأعلى هي أسوأ ، وتعلم العتاد.
كلا العبارتين صحيحان ، والثالث صحيح أيضًا - مع زيادة التكرار ، يمكن أن تتحسن طاقة الرابط بشكل ملحوظ. كل هذا يتوقف على سيناريو التطبيق (القيود المفروضة).
يمكن أن يحدث أي إرسال للمعلومات ، ليس فقط باستخدام الموجات الراديوية ، ولكن أيضًا أي موجات أخرى (الصوت ، الموجات الكهرومغناطيسية ذات الترددات الأعلى - أي الموجات الخفيفة والجاذبية) في 3 سيناريوهات:
- الإشعاع متعدد الاتجاهات واستقبال الطاقة شامل الاتجاهات.
- إشعاع اتجاهي (قطاعي ، شعاع ضيق) واستقبال شامل الاتجاهات
- الانبعاث الاتجاهي والاستقبال الاتجاهي
في الحالة الأولى ، لا يعرف أي من الطرفين الموقع في مساحة الجانب الثاني ، أو ليس لديه وسيلة لتوجيه هوائياته إلى المراسل.
يتضمن هذا السيناريو تقريبًا جميع أنواع أجهزة الاتصال اللاسلكية (العسكرية والمدنية والطيران) ، والأجهزة المنزلية (WiFi ، وبلوتوث ، والهواتف اللاسلكية ، وإنترنت الأشياء ، وأجهزة الاستشعار اللاسلكية ، والتليماتية ، وأقفال المفاتيح) ، والاتصال بين مسبار الهبوط ومحطة الفضاء. يجب أن تكون الهوائيات لكل من المراسلين المتحركين شاملة الاتجاهات (متناحية) أو قريبة منها.
في الحالة الثانية ، إذا كان أحد الجانبين ثابتًا وكان الموقع المحتمل للمراسل المتنقل محدودًا بقطاع معين من الفضاء ، فيمكن استخدام هوائي اتجاهي على الجانب الثابت ، والذي يركز الطاقة في الاتجاه المختار ، لتشكيل حزمة. المشترك متحرك ، ولا يعرف موقعه أو موقع المحطة الأساسية (أو ليس لديه وسائل توجيه الهوائي).
يتضمن هذا السيناريو جميع أنواع الخدمات عندما تخدم محطة قاعدة ثابتة المشتركين المتنقلين (الاتصالات الخلوية ، وأجهزة إعادة الإرسال للراديو العسكري أو المدني ، والبث للمشتركين المتنقلين ، والاتصالات الساتلية مع المشتركين المتنقلين ، ومحطات الاتصالات الفضائية الأرضية التي تخدم المسابر الفضائية عالية الحركة). يحتوي هوائي المحطة الأساسية على تركيز معتدل ويشكل شعاعًا لخدمة المساحة المطلوبة. من الناحية المثالية ، في أي نقطة في منطقة الخدمة على نفس المسافة R من القاعدة سيكون هناك نفس كثافة تدفق الطاقة W / m2. يجب أن يكون هوائي المراسل المتنقل شامل الاتجاهات (متناحي).
في الحالة الثالثة ، إذا كان الطرفان على دراية بموقع الجانب الآخر ولديهما القدرة على إرسال الهوائيات الخاصة بهما هناك ، يمكنك توفير الطاقة بشكل كبير أو زيادة سرعة الاتصال بنفس تكاليف الطاقة ، بسبب تركيز الحزمة في الفضاء.
يتضمن مثل هذا السيناريو جميع الخطوط الثابتة من نقطة إلى نقطة: مرحل لاسلكي ، WiFi من نقطة إلى نقطة ، اتصالات راديو الهواة بين مشتركين باستخدام هوائيات اتجاهية ؛ مشتركون بطيئون الحركة مع القدرة على تحديد الهوائيات بدقة للمراسل (محطة اتصالات فضائية أرضية ومحطة فضائية مزودة بهوائي هوائي أو محركات لتحديد المواقع للمحطة بأكملها مزودة بهوائي اتجاهي مثبت بشكل صارم ؛ واعدة 5G mmWave أو StarLink مودم Ilona Mask مع ضبط شعاع تلقائي بواسطة صفيف مرحلي نشط AFAR ؛ منظور أجهزة مودم MIMO الضخمة ومحطات قاعدة 4G / 5G تستخدم عددًا كبيرًا من الهوائيات مثل AFAR)
هنا يشير r (المستقبل) و t (المرسل) إلى هوائيات الاستقبال والإرسال ، Pr / Pt هي نسبة القدرة عند أطراف هوائي الاستقبال إلى القدرة عند الإرسال (أكثر هو الأفضل) ، d هي المسافة في نفس الوحدات مثل λ (على سبيل المثال بالأمتار)
ترتبط فتحة الهوائي A (مثل "المنطقة الفعالة / الفعالة") بمخطط الإشعاع (LN) للهوائي وكسبه الاتجاهي (D = الاتجاهية):
بالنسبة لهوائي في وضع الاستقبال ، تميز منطقة الهوائي الفعالة (يستخدم مصطلح سطح الهوائي الفعال أيضًا) قدرة الهوائي على جمع (اعتراض) حادثة تدفق طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي عليها وتحويل تدفق الطاقة هذا إلى طاقة تحميل.
بغض النظر عن نوع وتصميم الهوائي ، ترتبط الفتحة A والتوجيه D رياضياً من خلال الطول الموجي.
الهوائي متعدد الاتجاهات (متناحٍ) له D = 1 (0 ديسيبل). لا يوجد مشع متناحي مثالي في الممارسة ، وأقرب تماثلي هو ثنائي القطب نصف الموجي المعتاد ، حيث D ~ 1.64 (2.15 ديسيبل)
دعونا نقارن فتحة فتحة ثنائية القطب نصف الموجة (أو نظيرها ، دبوس ربع الموجة مع ثقل موازن) ، حيث يكون KND = 2.15 ديسيبل
يشكل هوائي الإرسال في جميع النطاقات نفسه ، بالقرب من مخطط الإشعاع الكروي. ستكون كثافة تدفق القدرة W / m 2 من جميع المصادر على نفس المسافة R هي نفسها.
ولكن نظرًا لأن فتحة هوائي الاستقبال (متعدد الاتجاهات أيضًا) تختلف باختلاف الترتيب ، فإن كمية الطاقة المجمعة من نفس كثافة التدفق ستكون مختلفة تمامًا.
خذ قناة اتصال مجردة تكون فيها قوة الإرسال TX = 1W وتكون حساسية المستقبل -101 dBm (2 μV عند حمل 50 أوم). في الفضاء المفتوح (لا يتم اعتبار العوائق ، الامتصاص ، الانعكاس ، التداخل هنا) ، نطاق الاتصال هو:
في الفضاء المفتوح (في حين أن النطاق غير محدود بالرؤية) ، فإن زيادة التردد بمقدار مرتين يزيد من متطلبات الطاقة لجهاز الإرسال بمقدار 4 مرات. وبنفس قوة المرسل ، تؤدي زيادة التردد بمقدار مرتين إلى تقليل النطاق أيضًا بمقدار مرتين.
هذا هو التأثير السائد في تفسير السبب:
- تعد CDMA / LTE-450 بعيدة المدى لـ GSM-900 ، والتي بدورها طويلة المدى لـ GSM-1800.
- WiFi-2400 الأبعد عن WiFi-5400
- جهاز اتصال لاسلكي 27-40 MHz بعيد المدى 144-174 ، والذي بدوره بعيد المدى لـ 433-470
في السيناريو رقم 2 ، إذا كان مسموحًا به على جانب واحد باستخدام هوائي (قطاع) أحادي الاتجاه ، فإن الوضع هو نفسه تمامًا كما هو الحال في السيناريو رقم 1 ، يمكن فقط تقليل قدرة المرسل عن طريق كسب هوائي المحطة الأساسية. بما أن قطاع الخدمة المطلوب لا يعتمد على التردد ، فإن اتجاه هوائي المحطة القاعدة هو نفسه (ستكون فتحة هوائي المحطة BS مختلفة بالتأكيد في نطاقات مختلفة). مع اتجاهية BS تبلغ 12 ديسيبل (10 ديسيبل أو 10 أضعاف أكبر من ثنائي القطب ثنائي ديسيبل) - سيكون كسب الطاقة 10 ديسيبل (10 مرات) ، يمكن أن يكون نطاق الاتصال لمشترك متنقل هو نفسه كما في الجدول السابق ، ولكن بالفعل في TX = 0.1W. بالنسبة إلى 5400 ميجاهرتز ، ستكون 25.7 كم مرة أخرى ، وبالنسبة لـ 27 ميجاهرتز - 5142 كم.
في السيناريو 3 ، هناك مجموعات مختلفة جدًا من الحلول الممكنة.
إذا تخلصنا من قيود التصميم والصعوبات ، فعندما تكون المساحة متساوية (الفتحة) لكلا الهوائيين ، فإن اتجاهية الهوائيين D r و D t تتناسب مع مربع التردد. لذلك ، ستظل كفاءة هوائي الاستقبال دون تغيير (سيتم استخراج نفس القدرة في المطاريف من نفس تدفق الكثافة W / m 2 ، بغض النظر عن التردد) ، وستزداد اتجاهية هوائي الإرسال بما يتناسب مع مربع التردد. من خلال زيادة التردد مرتين ، ستصبح الحزمة أرق بمقدار 4 مرات ، وستزداد كثافة التدفق W / m 2 في اتجاه المشترك بمقدار 4 مرات.
مع وجود قيود متساوية على أبعاد / وزن الهوائيات ، تكون الترددات الأعلى مفيدة بشكل أكبر.
من الناحية العملية ، فإن تحقيق مثل هذه الميزة الأساسية ليس بهذه البساطة.
لا تحتوي الهوائيات ذات فتحة ثابتة مستقلة عن التردد إلا على هوائيات مكافئية براق. كمية الطاقة التي تجمعها هذه المرآة مستقلة عن التردد ، ويصبح شعاع مخطط الإشعاع أرق مع زيادة التردد.
لكن صعوبة تصنيع هوائي مكافئي لقطر معين لا يعتمد فقط على القطر. كلما زاد التردد ، زادت متطلبات دقة سطح المرآة ومتطلبات أعلى لدقة التموضع وعمومًا صلابة الهيكل بأكمله.
مع الهوائيات الأخرى غير المرآة ، يكون الوضع أكثر تعقيدًا. يمكن وصف جميع تصميمات هذه الهوائيات بأحجام مستقلة عن التردد (في لامدا) ولها مخطط إشعاع ثابت متأصل في هذا النوع من الهوائي ، والذي لا يعتمد على تردد التصميم المختار. وبعبارة أخرى ، على سبيل المثال ، سيكون لهوائي القناة الموجية المكون من 7 عناصر (Uda-Yagi) نفس نمط الإشعاع ويكسب ~ 10 ديسيبل بغض النظر عن التردد الذي يمكن حسابه عند: 30 ميجاهرتز أو 3000 ميجاهرتز. في الحالة الثانية ، ستكون فتحة العدسة أصغر 10000 مرة. تمامًا ، من المستحيل أخذ وزيادة حجم نوع من الهوائي لزيادة الفتحة. إضافة أي تراكيب سلبية (طفيلية) تضيف الاتجاهية بشكل طفيف جدًا (مقارنة بالزيادة في الحجم) وفقط إلى قيم صغيرة تبلغ حوالي 16 ديسيبل (40 مرة).
لا يمكن تحقيق زيادة أخرى في الفتحة ، والتي تتوافق مع اتجاهية أكثر من 16 ديسيبل آيزوغرام ، إلا من خلال توصيل العديد من الهوائيات في المصابيح الأمامية (صفيف مرحلي). من الناحية النظرية ، يمكن لمضاعفة عدد العناصر في الشبكة أن تزيد الفتحة بمقدار مرتين ، أي تشكل حزمة أرفع مرتين مع كسب +3 ديسيبل. ولكن من الناحية العملية ، فإن بناء مثل هذه المصابيح الأمامية محفوف بصعوبات كبيرة: يجب أن تتوافق الإشارة من مصدر واحد (من حيث مقاومة الموجة) مع أدلة الموجات في الطور لكل عنصر من عناصر N للصفيف.
بالنسبة لعدد قليل من العناصر ، على سبيل المثال 2x2 ، 2x4 ، 3x3 ، هذه المشكلة قابلة للحل ، وبالنسبة لعدد كبير من العناصر فهي معقدة للغاية لدرجة أنها تفقد دائمًا الهوائيات العاكسة المكافئة ، والتي من السهل إنشاء اتجاهية من 20-40 ديسيبل ضوئي ، وفي المشاريع الكبيرة (مثل المحطات الأرضية الاتصالات الفضائية للمسافات الطويلة) تصل إلى 70 ديسيبل (تضخيم هوائي مكافئ بقطر 70 مترًا بتردد 5885 ميجاهرتز).
كمثال ، نحسب نطاق الاتصال للخط من نقطة إلى نقطة مع TX = 1W ، حساسية -101 ديسيبل لكل زوج من الهوائي المكافئي بقطر D = 1 متر وكفاءة الفتحة k = 60٪ (بشكل نموذجي لمشعات المرآة الحديثة)
لحساب معامل الاتجاه لمرآة مكافئة ، نستخدم الصيغة:
تؤدي زيادة التردد بمقدار مرتين إلى زيادة النطاق بمقدار مرتين أو تسمح لك باستخدام هوائي بقطر فتحة أقل من مرتين على جانب واحد ، أو تقليل قطر الهوائي في SQRT (2) ~ 1.4 مرة على كل جانب.
كما تزداد متطلبات دقة توجيه الحزمة (محاذاة الهوائي لكل مشترك) بما يتناسب مع مربع التردد.
في هذه المقالة ، لا نعتبر مسائل أخرى بشكل عام ، مثل الانعكاس والانعراج والانكسار وامتصاص الغازات والعقبات والغلاف الجوي والغلاف الأيوني والضوضاء وبيئة الضوضاء
الاستنتاجات
زيادة تردد الاتصالات اللاسلكية يمكن أن يعطي مزايا وعيوب اعتمادًا على سيناريو التطبيق (المواصفات الفنية).
في ظروف الاتصالات المتنقلة غير المضبوطة ، تكون الترددات المنخفضة أكثر ربحية ، لأن تتناسب فتحة الهوائي متعدد الاتجاهات مع مربع الطول الموجي. تزيد زيادة الطول الموجي بمقدار ضعفين من فتحة الهوائي بمقدار 4 مرات. وهذا يجعل من الممكن إما زيادة النطاق بمقدار مرتين (في ظل ظروف الرؤية والحد من نطاق الاتصال وفقًا لميزانية الطاقة) أو تقليل قدرة المرسل بمقدار 4 مرات ، وتكون جميع الأشياء الأخرى متساوية.
لهذا السبب ، يستمر تصميم حقائب الظهر العسكرية ، وراديو السيارات والدبابات إلى أسفل نطاق التردد العالي جدا - من 27 إلى 50 ميجاهرتز ، بينما تتقن الاتصالات المدنية والتجارية بلا هوادة ترددات أعلى من أي وقت مضى.
ثنائي القطب نصف الموجة (أو دبوس ربع الموجة مع موازنة) عند ترددات أكبر أكبر ، وهو من جهة عيب. من ناحية أخرى ، فإن هذا النقص هو الذي يسمح لنا بجمع المزيد من الطاقة من الفضاء.
في الخطوط من نقطة إلى نقطة ، تكون الترددات المنخفضة أيضًا أكثر فائدة في جميع الحالات ، باستثناء استخدام الهوائي المكافئي بفتحة ثابتة. بالنسبة للهوائيات التي لها نفس الاتجاهية ، تنخفض الفتحة بما يتناسب مع مربع زيادة التردد. مع زيادة بمقدار ضعفين في التردد ، ينخفض حجم هوائي من نفس النوع بمقدار مرتين (في كل قياس ، أي ينخفض الحجم بمقدار 8 مرات) ، ولكن العائد لذلك هو انخفاض بمقدار 4 أضعاف في فتحة مثل هذا الهوائي.
ولكن في الخطوط من نقطة إلى نقطة مع الهوائي المكافئي ، على العكس ، يسمح التبديل إلى الترددات الأعلى لنفس أقطار المرآة بتحسين ميزانية الطاقة بمقدار 4 مرات مع زيادة التردد مرتين. تتيح لك زيادة التواتر بمقدار مرتين:
- يزيد ceteris paribus النطاق في ظروف الرؤية بمقدار مرتين
- في نفس النطاق ، قم بتقليل الطاقة الإشعاعية بمقدار 4 مرات
- citris paribus زيادة سرعة الخط 4 مرات
إن عائد هذه الزيادة هو زيادة متطلبات التصنيع الدقيق ، كل من الهوائي نفسه وآلية التوجيه (التعديل) للمشترك.