Was sich beim Ändern des angewendeten Frequenzbereichs in der Funkkommunikation ändert, wird selbst von erfahrenen Amateurfunkamateuren nicht immer richtig formuliert. Einerseits ist die Friis-Transferformel äußerst einfach, und es scheint nichts zu diskutieren zu geben. Andererseits ist in dieser Formel zusätzlich zur expliziten Erwähnung der Wellenlänge λ implizit in anderen Koeffizienten verborgen. Es gibt viele Anschuldigungen, Notizen und Artikel, wonach bei höheren Frequenzen die Energie von Funkverbindungen schlechter ist, es gibt nicht weniger Artikel zum „Aufdecken des Mythos“ - sagen wir, nichts höhere Frequenzen sind schlechter, lernen Sie das Material.
Beide Aussagen sind wahr, und die dritte ist auch wahr - mit zunehmender Frequenz kann sich die Verbindungsenergie erheblich verbessern. Es hängt alles vom Anwendungsszenario ab (auferlegte Einschränkungen).
Jede Übertragung von Informationen, nicht nur unter Verwendung von Funkwellen, sondern auch anderer Wellen (Schall, EM-Wellen mit höheren Frequenzen - d. H. Licht, Gravitationswellen), kann in drei Szenarien erfolgen:
- Omnidirektionale Strahlung und omnidirektionaler Energieempfang.
- Richtungsstrahlung (Sektor, schmaler Strahl) und omnidirektionaler Empfang
- Richtungsemission und Richtungsempfang
Im ersten Fall kennt keine Seite den Ort im Raum der zweiten Seite oder verfügt nicht über die Mittel, um ihre Antennen auf den Korrespondenten zu richten.
Dieses Szenario umfasst fast alle Arten von Walkie-Talkies (Militär, Zivil, Luftfahrt), Haushaltsgeräte (WLAN, Bluetooth, schnurlose Telefone, IoT, drahtlose Sensoren, Telematik, Schlüsselschlösser), die Verbindung zwischen der Abstiegssonde und ihrer Raumstation. Die Antennen beider Mobilkorrespondenten müssen omnidirektional (isotrop) oder in ihrer Nähe sein.
Im zweiten Fall kann , wenn eine der Seiten stationär ist und der wahrscheinliche Ort des mobilen Korrespondenten durch einen bestimmten Raumsektor begrenzt ist, eine Richtantenne auf der stationären Seite verwendet werden, die Energie in einer gewählten Richtung konzentriert und einen Strahl bildet. Der Teilnehmer ist mobil, er kennt weder seinen Standort noch die Position der Basisstation (oder verfügt nicht über Antennenausrichtungsmittel).
Dieses Szenario umfasst alle Arten von Diensten, wenn eine stationäre Basisstation Mobilfunkteilnehmer bedient (Mobilfunk, Repeater für militärische oder zivile Funkgeräte, Rundfunk an Mobilfunkteilnehmer, Satellitenkommunikation mit Mobilfunkteilnehmern, bodengestützte Weltraumkommunikationsstationen, die hochmobile Raumsonden bedienen). Die Antenne der Basisstation hat einen moderaten Fokus und bildet einen Strahl, um den gewünschten Raumbereich zu bedienen. Idealerweise gibt es an jedem Punkt im Versorgungsbereich im gleichen Abstand R von der Basis die gleiche Energieflussdichte W / m2. Die Antenne des Mobilkorrespondenten muss omnidirektional (isotrop) sein.
Im dritten Fall können Sie , wenn beide Parteien den Standort der anderen Seite kennen und ihre Antennen dorthin senden können, aufgrund der Konzentration des Strahls im Raum bei gleichen Energiekosten erheblich Energie sparen oder die Kommunikationsgeschwindigkeit erhöhen.
Ein solches Szenario umfasst alle festen Punkt-zu-Punkt-Leitungen: Funkrelais, WiFi-Punkt-zu-Punkt-Amateurfunkkommunikation zwischen zwei Teilnehmern unter Verwendung von Richtantennen; sich langsam bewegende Teilnehmer mit der Fähigkeit, die Antennen genau auf den Korrespondenten zu positionieren (bodengestützte Weltraumkommunikationsstation und Raumstation mit gerichteten Antennenservos oder Positionierungsmotoren der gesamten Station mit einer starr fixierten gerichteten Antenne; vielversprechende 5G mmWave- oder StarLink-Modems Ilona Mask mit automatischer Strahlabstimmung durch AF-Perspektive mit aktivem Phased Array; Massive-MIMO-Modems und 4G / 5G-Basisstationen mit einer großen Anzahl von Antennen wie AFAR)
Hier beziehen sich r (Empfänger) und t (Sender) auf die Empfangs- und Sendeantennen, Pr / Pt ist das Verhältnis der Leistung an den Anschlüssen der Empfangsantenne zur Leistung beim Senden (mehr ist besser), d ist der Abstand in den gleichen Einheiten wie λ (zum Beispiel) in Metern)
Die Apertur der Antenne A (die gleiche wie "Effektiver / Effektiver Bereich") hängt mit dem Strahlungsmuster (LN) der Antenne und ihrer Richtwirkung (D = Richtwirkung) zusammen:
Bei einer Antenne im Empfangsmodus kennzeichnet der effektive Antennenbereich (der Begriff effektive Antennenoberfläche wird auch verwendet) die Fähigkeit der Antenne, den auf sie einfallenden elektromagnetischen Strahlungsleistungsfluss zu sammeln (abzufangen) und diesen Leistungsfluss in Lastleistung umzuwandeln.
Unabhängig von Art und Design der Antenne hängen ihre Apertur A und ihre Richtwirkung D mathematisch über die Wellenlänge zusammen.
Eine omnidirektionale (isotrope) Antenne hat D = 1 (0 dBi). Ein idealer isotroper Strahler existiert in der Praxis nicht, das nächste Analogon ist der übliche Halbwellendipol, für den D ~ 1,64 (2,15 dBi)
Vergleichen wir die Apertur eines Halbwellendipols (oder seines Analogons, eines Viertelwellenstifts mit Gegengewicht), bei dem der KND = 2,15 dBi ist
Die Sendeantenne bildet in allen Bereichen das gleiche, nahezu sphärische Strahlungsmuster. Die Leistungsflussdichte W / m 2 von allen Quellen im gleichen Abstand R ist gleich.
Da sich die Apertur der Empfangsantenne (auch omnidirektional) um Größenordnungen unterscheidet, ist die von derselben Flussdichte gesammelte Energiemenge sehr unterschiedlich.
Nehmen Sie einen abstrakten Kommunikationskanal, in dem die Sendeleistung TX = 1 W und die Empfängerempfindlichkeit -101 dBm (2 μV bei 50 Ohm Last) beträgt. Im offenen Raum (Hindernisse, Absorption, Reflexion, Interferenz werden hier nicht berücksichtigt) beträgt der Kommunikationsbereich:
Im offenen Raum (während die Reichweite nicht durch die Sichtbarkeit begrenzt ist) erhöht eine Erhöhung der Frequenz um das Zweifache den Leistungsbedarf des Senders um das Vierfache. Bei gleicher Sendeleistung wird durch Erhöhen der Frequenz um das Zweifache die Reichweite ebenfalls um das Zweifache verringert.
Es ist dieser Effekt, der dominiert, um zu erklären, warum:
- Der CDMA / LTE-450 ist für den GSM-900 weitreichend, was wiederum für den GSM-1800 weitreichend ist.
- WiFi-2400 am weitesten hinter WiFi-5400
- Walkie-Talkies 27-40 MHz Fernbereich für 144-174, was wiederum Fernbereich für 433-470
Wenn in Szenario Nr. 2 auf einer Seite eine unidirektionale (Sektor-) Antenne verwendet werden darf, ist die Situation genau die gleiche wie in Szenario Nr. 1, nur die Sendeleistung kann durch den Antennengewinn der Basisstation reduziert werden. Da der erforderliche Dienstsektor nicht von der Frequenz abhängt, ist die Richtung der BS-Antenne dieselbe (die Antennenapertur der BS wird auf verschiedenen Bändern sicherlich unterschiedlich sein). Bei einer BS-Richtwirkung von 12 dBi (10 dB oder 10-mal höher als die eines 2-dBi-Dipols) - die Leistungsverstärkung beträgt 10 dB (10-mal) - kann die Kommunikationsreichweite zu einem Mobilfunkteilnehmer dieselbe sein wie in der vorherigen Tabelle, jedoch bereits bei TX = 0,1 W. Für 5400 MHz sind es wieder 25,7 km und für 27 MHz - 5142 km.
In Szenario 3 sind sehr unterschiedliche Lösungskombinationen möglich.
Wenn wir Entwurfsbeschränkungen und -schwierigkeiten verwerfen, ist bei gleicher Fläche (Apertur) beider Antennen die Richtwirkung beider Antennen D r und D t proportional zum Quadrat der Frequenz. Daher bleibt der Wirkungsgrad der Empfangsantenne unverändert (die gleiche Leistung an den Anschlüssen wird unabhängig von der Frequenz aus dem gleichen Dichtefluss W / m 2 extrahiert), und die Richtwirkung der Sendeantenne nimmt proportional zum Quadrat der Frequenz zu. Durch Erhöhen der Frequenz um das Zweifache wird der Strahl um das Vierfache dünner, die Flussdichte W / m 2 in Richtung des Teilnehmers wird um das Vierfache erhöht.
Bei gleichen Einschränkungen hinsichtlich der Abmessungen / des Gewichts der Antennen sind höhere Frequenzen energetisch vorteilhafter.
In der Praxis ist es nicht so einfach, einen solchen grundlegenden Vorteil zu realisieren.
Antennen mit einer festen frequenzunabhängigen Apertur enthalten nur spiegelnde Parabolantennen. Die Energiemenge, die ein solcher Spiegel sammelt, ist unabhängig von der Frequenz, und der Strahl des Strahlungsmusters wird mit zunehmender Frequenz dünner.
Die Schwierigkeit bei der Herstellung einer Parabolantenne mit einem bestimmten Durchmesser hängt jedoch nicht nur vom Durchmesser ab. Je höher die Frequenz, desto höher sind die Anforderungen an die Genauigkeit der Oberfläche des Spiegels und desto höher sind die Anforderungen an die Genauigkeit der Positionierung und im Allgemeinen an die Steifigkeit der gesamten Struktur.
Bei anderen Nicht-Spiegelantennen ist die Situation viel komplizierter. Alle Konstruktionen solcher Antennen können in frequenzunabhängigen Größen (in Lambda) beschrieben werden und weisen ein festes Strahlungsmuster auf, das diesem Antennentyp eigen ist, was nicht von der gewählten Konstruktionsfrequenz abhängt. Mit anderen Worten, zum Beispiel hat eine 7-Element-Wellenkanalantenne (Uda-Yagi) das gleiche Strahlungsmuster und eine Verstärkung von ~ 10 dBi, unabhängig davon, mit welcher Frequenz sie berechnet werden kann: 30 MHz oder 3000 MHz. Im zweiten Fall ist seine Apertur 10.000-mal kleiner. Einfach so ist es unmöglich, einen Antennentyp zu nehmen und zu vergrößern, um die Blende zu vergrößern. Durch Hinzufügen passiver (parasitärer) Strukturen wird die Richtwirkung nur geringfügig (im Vergleich zur Zunahme der Größe) und nur bei kleinen Werten von etwa 16 dBi (40-fach) erhöht.
Eine weitere Erhöhung der Apertur, die in der Praxis einer Richtwirkung von mehr als 16 dBi entspricht, ist nur durch den Anschluss vieler Antennen im Scheinwerfer (Phased Array) möglich. Theoretisch kann das Verdoppeln der Anzahl von Elementen in dem Gitter die Apertur um das Zweifache erhöhen, d.h. Bilden Sie einen 2-mal dünneren Strahl mit einer Verstärkung von +3 dB. In der Praxis ist der Aufbau solcher Scheinwerfer jedoch mit großen Schwierigkeiten verbunden: Das Signal von einer einzelnen Quelle muss (in Bezug auf den Wellenwiderstand) von den Wellenleitern in Phase an jedes der N Elemente des Arrays angepasst werden.
Für eine kleine Anzahl von Elementen, zum Beispiel 2x2, 2x4, 3x3, ist dieses Problem lösbar, und für eine große Anzahl von Elementen ist es so komplex, dass es immer an Parabolspiegelantennen verliert, mit denen es einfach ist, eine Richtwirkung von 20-40 dBi zu erzeugen, und in großen Projekten (wie Bodenstationen) Fernraumkommunikation) erreicht 70 dBi (Verstärkung einer Parabolantenne mit einem Durchmesser von 70 Metern bei einer Frequenz von 5885 MHz).
Als Beispiel berechnen wir den Kommunikationsbereich der Punkt-zu-Punkt-Leitung mit TX = 1 W, eine Empfindlichkeit von -101 dBm mit einem Paar Parabolantennen mit einem Durchmesser von D = 1 Meter und einen Öffnungswirkungsgrad von k = 60% (typisch für moderne Spiegelbestrahler).
Um den Richtungskoeffizienten eines Parabolspiegels zu berechnen, verwenden wir die Formel:
Durch Erhöhen der Frequenz um das Zweifache wird die Reichweite um das Zweifache erhöht oder Sie können eine Antenne mit einem Öffnungsdurchmesser von weniger als dem Zweifachen auf einer Seite verwenden oder den Antennendurchmesser in SQRT (2) auf jeder Seite um das 1,4-fache verringern.
Die Anforderungen an die Strahlführungsgenauigkeit (Antennenausrichtung pro Teilnehmer) wachsen ebenfalls proportional zum Quadrat der Frequenz.
In diesem Artikel werden andere Themen im Allgemeinen NICHT berücksichtigt, z. B. Reflexion, Beugung, Brechung, Absorption in Gasen, Hindernissen, Atmosphäre, Ionosphäre, Lärm und Lärmumgebung
Schlussfolgerungen
Das Erhöhen der Frequenz der Funkkommunikation kann je nach Anwendungsszenario (technische Spezifikationen) sowohl Vor- als auch Nachteile haben.
Unter Bedingungen der mobilen Nicht-Tuning-Kommunikation sind niedrige Frequenzen rentabler, weil Die omnidirektionale Antennenapertur ist proportional zum Quadrat der Wellenlänge. Eine zweifache Erhöhung der Wellenlänge erhöht die Antennenapertur um das Vierfache. Dies ermöglicht es, entweder die Reichweite um das Zweifache zu erhöhen (unter Sichtbarkeitsbedingungen und die Kommunikationsreichweite gemäß dem Energiebudget zu begrenzen) oder die Sendeleistung um das Vierfache zu verringern, wobei alle anderen Faktoren gleich sind.
Aus diesem Grund werden militärische Rucksäcke, Automobil- und Panzerradios weiterhin bis zum Ende des UKW-Bereichs entwickelt - von 27 bis 50 MHz, während die zivile und kommerzielle Kommunikation immer höhere Frequenzen unerbittlich beherrscht.
Der Halbwellendipol (oder ein Viertelwellenstift mit einem Gegengewicht) bei größeren Frequenzen ist größer, was einerseits ein Nachteil ist. Andererseits ist es dieses Manko, das es uns ermöglicht, mehr Energie aus dem Weltraum zu sammeln.
In Punkt-zu-Punkt-Linien sind niedrige Frequenzen in allen Fällen ebenfalls vorteilhafter, mit Ausnahme der Verwendung von Parabolantennen mit fester Apertur. Bei Antennen mit gleicher Richtwirkung nimmt die Apertur proportional zum Quadrat des Frequenzanstiegs ab. Mit einer zweifachen Erhöhung der Frequenz nimmt die Größe einer Antenne des gleichen Typs um das Zweifache ab (bei jeder Messung, d. H. Das Volumen nimmt um das Achtfache ab), aber die Amortisation hierfür ist eine vierfache Verringerung der Apertur einer solchen Antenne.
Bei Punkt-zu-Punkt-Leitungen mit Parabolantennen hingegen ermöglicht das Umschalten auf höhere Frequenzen bei gleichen Spiegeldurchmessern eine Verbesserung des Energiebudgets um das Vierfache bei einer Frequenzerhöhung um das Zweifache. Mit einer zweifachen Frequenzerhöhung können Sie:
- ceteris paribus vergrößert die Sichtweite um das Zweifache
- Reduzieren Sie im gleichen Bereich die Strahlungsleistung um das Vierfache
- ceteris paribus erhöht die Geschwindigkeit der Linie um das Vierfache
Die Amortisation für eine solche Erhöhung sind die erhöhten Anforderungen an die Präzisionsfertigung, sowohl der Antenne selbst als auch des Mechanismus der Führung (Anpassung) für den Teilnehmer.