Lo que cambia al cambiar el rango de frecuencia aplicado en las comunicaciones de radio no siempre se formula correctamente, incluso por radioaficionados experimentados. Por un lado, la fórmula de transferencia de Friis es extremadamente simple, y parece que no hay nada que discutir. Por otro lado, en esta fórmula, además de mencionar explícitamente la longitud de onda λ, está oculta implícitamente en otros coeficientes. Hay muchas acusaciones, notas y artículos que, con frecuencias más altas, la energía de los enlaces de radio es peor, no hay menos artículos de "exponer el mito" - no digas nada que las frecuencias más altas son peores, aprende el material.
Ambas declaraciones son ciertas, y la tercera también es cierta: con un aumento en la frecuencia, la energía del enlace puede mejorar significativamente. Todo depende del escenario de la aplicación (restricciones impuestas).
Cualquier transmisión de información, no solo usando ondas de radio, sino también cualquier otra onda (sonido, ondas EM de frecuencias más altas, es decir, luz, ondas gravitacionales) puede ocurrir en 3 escenarios:
- Radiación omnidireccional y recepción de energía omnidireccional.
- Radiación direccional (sector, haz estrecho) y recepción omnidireccional
- Emisión direccional y recepción direccional.
En el primer caso, ninguno de los lados conoce la ubicación en el espacio del segundo lado, o no tiene los medios para apuntar sus antenas al corresponsal.
Este escenario incluye casi todos los tipos de walkie-talkies (militares, civiles, de aviación), electrodomésticos (WiFi, Bluetooth, teléfonos inalámbricos, IoT, sensores inalámbricos, telemática, cerraduras de teclas), la conexión entre la sonda de descenso y su estación espacial. Las antenas de ambos corresponsales móviles deben ser omnidireccionales (isotrópicas) o cercanas a ellas.
En el segundo caso , si uno de los lados es estacionario y la ubicación probable del corresponsal móvil está limitada por un determinado sector del espacio, se puede usar una antena direccional en el lado estacionario, que concentra la energía en una dirección elegida, formando un haz. El suscriptor es móvil, no conoce ni su ubicación ni la posición de la estación base (o no tiene medios de señalización de antena).
Este escenario incluye todos los tipos de servicios cuando una estación base estacionaria atiende a suscriptores móviles (comunicaciones celulares, repetidores para radios militares o civiles, transmisión a suscriptores móviles, comunicaciones satelitales con suscriptores móviles, estaciones de comunicaciones espaciales terrestres que sirven sondas espaciales altamente móviles). La antena de la estación base tiene un enfoque moderado y forma un haz para servir al área de espacio deseada. Idealmente, en cualquier punto del área de servicio a la misma distancia R de la base habrá la misma densidad de flujo de energía W / m2. La antena del corresponsal móvil debe ser omnidireccional (isotrópica).
En el tercer caso , si ambas partes conocen la ubicación del otro lado y tienen la capacidad de enviar sus antenas allí, puede ahorrar significativamente energía o aumentar la velocidad de comunicación al mismo costo de energía, debido a la concentración del haz en el espacio.
Tal escenario incluye todas las líneas fijas de punto a punto: radioenlace, WiFi punto a punto, comunicación de radioaficionado entre 2 suscriptores que usan antenas direccionales; suscriptores de movimiento lento con la capacidad de posicionar con precisión las antenas al correspondiente (estación de comunicaciones espaciales terrestres y estación espacial con servos de antena direccional o motores de posicionamiento de toda la estación con una antena direccional montada rígidamente; prometedores módems 5G mmWave o StarLink Ilona Mask con ajuste automático de haz por arreglo activo de fase AFAR; perspectiva Módems MIMO masivos y estaciones base 4G / 5G que usan una gran cantidad de antenas como AFAR)
Aquí r (receptor) yt (transmisor) se refieren a las antenas de recepción y transmisión, Pr / Pt es la relación entre la potencia en los terminales de la antena receptora y la potencia en la transmisión (más es mejor), d es la distancia en las mismas unidades que λ (por ejemplo en metros)
La apertura de la antena A (lo mismo que "Área efectiva / efectiva") está asociada con el patrón de radiación (LN) de la antena y su ganancia de directividad (D = Directividad):
Para una antena en modo de recepción, el área efectiva de la antena (también se usa el término superficie efectiva de la antena) caracteriza la capacidad de la antena para recoger (interceptar) el flujo de energía de radiación electromagnética que incide en ella y convertir este flujo de energía en energía de carga.
Independientemente del tipo y diseño de la antena, su apertura A y su directividad D están matemáticamente relacionadas a través de la longitud de onda.
Una antena omnidireccional (isotrópica) tiene D = 1 (0 dBi). Un radiador isotrópico ideal no existe en la práctica, el análogo más cercano es el dipolo de media onda habitual, para el cual D ~ 1.64 (2.15 dBi)
Comparemos la apertura de un dipolo de media onda (o su análogo, un pin de cuarto de onda con un contrapeso), en el que el KND = 2.15 dBi
La antena transmisora en todos los rangos forma el mismo patrón de radiación, cercano al esférico. La densidad de flujo de potencia W / m 2 de todas las fuentes a la misma distancia R será la misma.
Pero dado que la apertura de la antena receptora (también omnidireccional) difiere en órdenes de magnitud, la cantidad de energía recolectada de la misma densidad de flujo será muy diferente.
Tome un canal de comunicación abstracto en el que la potencia del transmisor sea TX = 1W y la sensibilidad del receptor sea -101 dBm (2 μV a 50 Ohm de carga). En espacios abiertos (obstáculos, absorción, reflexión, interferencia no se consideran aquí), el rango de comunicación es:
En espacios abiertos (mientras que el alcance no está limitado por la visibilidad), aumentar la frecuencia en 2 veces aumenta los requisitos de potencia del transmisor en 4 veces. Con la misma potencia del transmisor, aumentar la frecuencia en 2 veces reduce el rango también en 2 veces.
Es este efecto el que domina al explicar por qué:
- El CDMA / LTE-450 es de largo alcance para el GSM-900, que a su vez es de largo alcance para el GSM-1800.
- WiFi-2400 más alejado detrás de WiFi-5400
- Walkie-talkies de 27-40 MHz de largo alcance para 144-174, que a su vez de largo alcance para 433-470
En el escenario No. 2 , si en un lado se le permite usar una antena unidireccional (sector), la situación es exactamente la misma que en el escenario No. 1, solo la potencia del transmisor puede ser reducida por la ganancia de antena de la estación base. Dado que el sector de servicio requerido no depende de la frecuencia, la dirección de la antena BS es la misma (la apertura de antena de la BS ciertamente será diferente en diferentes bandas). Con una directividad BS de 12 dBi (10 dB o 10 veces mayor que la de un dipolo de 2 dBi): la ganancia de potencia será de 10 dB (10 veces), el rango de comunicación para un suscriptor móvil puede ser el mismo que en la tabla anterior, pero ya en TX = 0.1W. Para 5400 MHz volverá a ser de 25,7 km, y para 27 MHz - 5142 km.
En el escenario 3 , son posibles combinaciones muy diferentes de soluciones.
Si descartamos las restricciones y dificultades de diseño, entonces con igual área (apertura) de ambas antenas, la directividad de ambas antenas D r y D t es proporcional al cuadrado de la frecuencia. Por lo tanto, la eficiencia de la antena receptora permanecerá sin cambios (la misma potencia en los terminales se extraerá del mismo flujo de densidad W / m 2 , independientemente de la frecuencia), y la directividad de la antena transmisora aumentará en proporción al cuadrado de la frecuencia. Al aumentar la frecuencia en 2 veces, el haz se hará más delgado en 4 veces, la densidad de flujo W / m 2 en la dirección del abonado aumentará 4 veces.
Con restricciones iguales en las dimensiones / peso de las antenas, las frecuencias más altas son más beneficiosas desde el punto de vista energético.
En la práctica, darse cuenta de una ventaja tan fundamental no es tan simple.
Las antenas con una apertura fija independiente de la frecuencia incluyen solo antenas parabólicas especulares. La cantidad de energía que recoge dicho espejo es independiente de la frecuencia, y el haz del patrón de radiación se vuelve más delgado a medida que aumenta la frecuencia.
Pero la dificultad en la fabricación de una antena parabólica de un diámetro dado depende no solo del diámetro. Cuanto mayor es la frecuencia, mayores son los requisitos para la precisión de la superficie del espejo y los requisitos más altos para la precisión del posicionamiento y, en general, la rigidez de toda la estructura.
Con otras antenas sin espejo, la situación es mucho más complicada. Todos los diseños de tales antenas se pueden describir en tamaños independientes de la frecuencia (en lambda) y tienen un patrón de radiación fijo inherente a este tipo de antena, que no depende de la frecuencia de diseño elegida. En otras palabras, por ejemplo, una antena de canal de onda de 7 elementos (Uda-Yagi) tendrá el mismo patrón de radiación y ganará ~ 10 dBi, independientemente de la frecuencia a la que se pueda calcular: 30 MHz o 3000 MHz. En el segundo caso, su apertura será 10,000 veces menor. Solo así, es imposible tomar y aumentar el tamaño de algún tipo de antena para aumentar la apertura. Agregar estructuras pasivas (parásitas) agrega directividad muy ligeramente (en comparación con el aumento de tamaño) y solo a valores pequeños de aproximadamente 16 dBi (40 veces).
Un aumento adicional en la apertura, que corresponde a una directividad de más de 16 dBi en la práctica, solo es posible conectando muchas antenas en el faro (matriz en fase). Teóricamente, duplicar el número de elementos en la red puede aumentar la apertura en 2 veces, es decir. forma un haz 2 veces más delgado con una ganancia de +3 dB. Pero en la práctica, la construcción de estos faros está llena de grandes dificultades: la señal de una sola fuente debe coincidir (en términos de resistencia a las olas) por las guías de onda en fase con cada uno de los N elementos de la matriz.
Para una pequeña cantidad de elementos, por ejemplo 2x2, 2x4, 3x3, este problema es solucionable, y para una gran cantidad de elementos es tan complejo que siempre pierde antenas de espejo parabólico, con las cuales es fácil crear una directividad de 20-40 dBi, y en proyectos grandes (como estaciones terrestres). comunicación espacial a larga distancia) alcanza 70 dBi (amplificación de una antena parabólica con un diámetro de 70 metros a una frecuencia de 5885 MHz).
Como ejemplo, calculamos el rango de comunicación de la línea punto a punto con TX = 1W, sensibilidad -101 dBm con un par de antenas parabólicas con un diámetro de D = 1 metro y eficiencia de apertura k = 60% (típico para los irradiadores de espejo modernos)
Para calcular el coeficiente de directividad de un espejo parabólico, utilizamos la fórmula:
Aumentar la frecuencia en 2 veces aumenta el rango en 2 veces o le permite usar una antena con un diámetro de apertura inferior a 2 veces en un lado, o reducir el diámetro de la antena en SQRT (2) ~ 1.4 veces en cada lado.
Los requisitos para la precisión de la guía del haz (alineación de la antena por suscriptor) también crecen en proporción al cuadrado de la frecuencia.
En este artículo, NO consideramos otros problemas en general, como la reflexión, difracción, refracción, absorción en gases, obstáculos, atmósfera, ionosfera, ruido y ruido.
Conclusiones
El aumento de la frecuencia de las comunicaciones por radio puede ofrecer ventajas y desventajas según el escenario de la aplicación (especificaciones técnicas).
En condiciones de comunicación móvil sin sintonización, las bajas frecuencias son más rentables, porque La apertura de la antena omnidireccional es proporcional al cuadrado de la longitud de onda. Un aumento de 2 veces en la longitud de onda aumenta la apertura de la antena en 4 veces. Esto permite aumentar el alcance 2 veces (en condiciones de visibilidad y limitar el alcance de la comunicación de acuerdo con el presupuesto de energía) o reducir la potencia del transmisor 4 veces, todo lo demás es igual.
Por esta razón, las mochilas militares, las radios de automóviles y tanques continúan siendo diseñadas hasta el fondo del rango de VHF, de 27 a 50 MHz, mientras que las comunicaciones civiles y comerciales dominan implacablemente frecuencias cada vez más altas.
El dipolo de media onda (o un pin de cuarto de onda con un contrapeso) a frecuencias más grandes es más grande, lo que, por un lado, es un inconveniente. Por otro lado, es esta deficiencia la que nos permite recolectar más energía del espacio.
En las líneas punto a punto, las frecuencias bajas también son más beneficiosas en todos los casos, excepto por el uso de antenas parabólicas con una apertura fija. Para antenas con la misma directividad, la apertura disminuye en proporción al cuadrado del aumento de frecuencia. Con un aumento de 2 veces en la frecuencia, el tamaño de una antena del mismo tipo disminuye 2 veces (en cada medición, es decir, el volumen disminuye 8 veces), pero la recuperación de la inversión es una disminución de 4 veces en la apertura de dicha antena.
Pero en líneas punto a punto con antenas parabólicas, por el contrario, el cambio a frecuencias más altas permite que los mismos diámetros de espejo mejoren el presupuesto de energía en 4 veces con un aumento de frecuencia de 2 veces. Un aumento de 2 veces en la frecuencia le permite:
- ceteris paribus aumenta el alcance en condiciones de visibilidad en 2 veces
- en el mismo rango, reduzca la potencia de radiación 4 veces
- ceteris paribus aumenta la velocidad de la línea 4 veces
La recuperación de este aumento es el aumento de los requisitos para la fabricación de precisión, tanto la antena en sí como el mecanismo de guía (ajuste) para el suscriptor.