Ce qui change lors du changement de la gamme de fréquences appliquée dans les communications radio n'est pas toujours correctement formulé, même par les radio-amateurs amateurs expérimentés. D'une part, la formule de transfert Friis est extrêmement simple et il ne semble pas y avoir de discussion. En revanche, dans cette formule, en plus de mentionner explicitement la longueur d'onde λ, elle est implicitement cachée dans d'autres coefficients. Il existe de nombreuses allégations, notes et articles selon lesquels, avec des fréquences plus élevées, l'énergie des liaisons radio est pire, il n'y a pas moins d'articles «d'exposer le mythe» - dites que rien de plus élevé n'est pire, apprenez le matériel.
Les deux affirmations sont vraies, et la troisième est également vraie - avec une augmentation de la fréquence, l'énergétique de la liaison peut s'améliorer considérablement. Tout dépend du scénario d'application (restrictions imposées).
Toute transmission d'informations, non seulement en utilisant des ondes radio, mais également toute autre onde (son, ondes électromagnétiques de fréquences plus élevées - c'est-à-dire lumière, ondes gravitationnelles) peut se produire dans 3 scénarios:
- Rayonnement omnidirectionnel et réception d'énergie omnidirectionnelle.
- Rayonnement directionnel (secteur, faisceau étroit) et réception omnidirectionnelle
- Émission directionnelle et réception directionnelle
Dans le premier cas, aucun côté ne connaît l'emplacement dans l'espace du second côté, ou n'a pas les moyens de pointer ses antennes vers le correspondant.
Ce scénario comprend presque tous les types de talkies-walkies (militaires, civils, aviation), les appareils ménagers (WiFi, Bluetooth, téléphones sans fil, IoT, capteurs sans fil, télématique, verrous à clé), la connexion entre la sonde de descente et sa station spatiale. Les antennes des deux correspondants mobiles doivent être omnidirectionnelles (isotropes) ou proches d'eux.
Dans le deuxième cas , si l'un des côtés est stationnaire et que l'emplacement probable du correspondant mobile est limité par un certain secteur de l'espace, une antenne directionnelle peut être utilisée du côté stationnaire, qui concentre l'énergie dans une direction choisie, formant un faisceau. L'abonné est mobile, il ne connaît ni son emplacement ni la position de la station de base (ou ne dispose pas de moyens de pointage d'antenne).
Ce scénario comprend tous les types de services lorsqu'une station de base fixe dessert des abonnés mobiles (communications cellulaires, répéteurs pour radios militaires ou civiles, diffusion vers des abonnés mobiles, communications par satellite avec des abonnés mobiles, stations de communication spatiale au sol desservant des sondes spatiales très mobiles). L'antenne de la station de base a un foyer modéré et forme un faisceau pour desservir la zone d'espace souhaitée. Idéalement, en tout point de la zone de service à la même distance R de la base, il y aura la même densité de flux d'énergie W / m2. L'antenne du correspondant mobile doit être omnidirectionnelle (isotrope).
Dans le troisième cas , si les deux parties sont conscientes de l'emplacement de l'autre côté et ont la possibilité d'y envoyer leurs antennes, vous pouvez économiser considérablement de l'énergie ou augmenter la vitesse de communication aux mêmes coûts énergétiques, en raison de la concentration du faisceau dans l'espace.
Un tel scénario comprend toutes les lignes fixes point à point: relais radio, point à point WiFi, communication radio amateur entre 2 abonnés utilisant des antennes directionnelles; abonnés lents avec la possibilité de positionner avec précision les antennes par rapport au correspondant (station de communication spatiale au sol et station spatiale avec servomoteurs d'antenne directionnelle ou moteurs de positionnement de la station entière avec une antenne directionnelle rigide; prometteur 5G mmWave ou modems StarLink Ilona Mask avec réglage automatique du faisceau par réseau phasé actif AFAR; perspective modems MIMO massifs et stations de base 4G / 5G utilisant un grand nombre d'antennes comme AFAR)
Ici r (récepteur) et t (émetteur) font référence aux antennes de réception et d'émission, Pr / Pt est le rapport entre la puissance aux bornes de l'antenne de réception et la puissance à l'émission (plus c'est mieux), d est la distance dans les mêmes unités que λ (par exemple en mètres)
L'ouverture de l'antenne A (identique à la "zone efficace / effective") est associée au diagramme de rayonnement (LN) de l'antenne et à son gain de directivité (D = directivité):
Pour une antenne en mode réception, la zone d'antenne effective (le terme surface d'antenne efficace est également utilisé) caractérise la capacité de l'antenne à collecter (intercepter) le flux de puissance de rayonnement électromagnétique incident sur elle et à convertir ce flux de puissance en puissance de charge.
Quels que soient le type et la conception de l'antenne, son ouverture A et sa directivité D sont mathématiquement liées à travers la longueur d'onde.
Une antenne omnidirectionnelle (isotrope) a D = 1 (0 dBi). Un radiateur isotrope idéal n'existe pas dans la pratique, l'analogue le plus proche est le dipôle demi-onde habituel, pour lequel D ~ 1,64 (2,15 dBi)
Comparons l'ouverture d'un dipôle demi-onde (ou son analogue, une broche quart d'onde avec un contrepoids), dans laquelle le KND = 2,15 dBi
L'antenne d'émission dans toutes les gammes forme le même, proche du diagramme de rayonnement sphérique. La densité de flux de puissance W / m 2 de toutes les sources à la même distance R sera la même.
Mais comme l'ouverture de l'antenne réceptrice (également omnidirectionnelle) diffère de plusieurs ordres de grandeur, la quantité d'énergie collectée à partir de la même densité de flux sera très différente.
Prenez un canal de communication abstrait dans lequel la puissance de l'émetteur est TX = 1W et la sensibilité du récepteur est de -101 dBm (2 μV à une charge de 50 Ohm). En espace ouvert (les obstacles, l'absorption, la réflexion, les interférences ne sont pas pris en compte ici), la portée de communication est:
Dans un espace ouvert (alors que la portée n'est pas limitée par la visibilité), l'augmentation de la fréquence de 2 fois augmente les besoins en puissance de l'émetteur de 4 fois. Avec la même puissance d'émission, l'augmentation de la fréquence de 2 fois réduit également la portée de 2 fois.
C'est cet effet qui est dominant pour expliquer pourquoi:
- Le CDMA / LTE-450 est à longue portée pour le GSM-900, qui à son tour est à longue portée pour le GSM-1800.
- WiFi-2400 le plus éloigné du WiFi-5400
- Walkie-talkies 27-40 MHz longue portée pour 144-174, qui à son tour longue portée pour 433-470
Dans le scénario n ° 2 , si d'un côté il est autorisé d'utiliser une antenne unidirectionnelle (secteur), la situation est exactement la même que dans le scénario n ° 1, seule la puissance de l'émetteur peut être réduite par le gain d'antenne de la station de base. Comme le secteur de service requis ne dépend pas de la fréquence, la direction de l'antenne BS est la même (l'ouverture de l'antenne de la BS sera certainement différente sur différentes bandes). Avec une directivité BS de 12 dBi (10 dB ou 10 fois supérieure à celle d'un dipôle 2 dBi) - le gain de puissance sera de 10 dB (10 fois), la portée de communication vers un abonné mobile peut être la même que dans le tableau précédent, mais déjà à TX = 0,1 W. Pour 5400 MHz, ce sera à nouveau 25,7 km, et pour 27 MHz - 5142 km.
Dans le scénario 3 , des combinaisons de solutions très différentes sont possibles.
Si nous éliminons les contraintes et les difficultés de conception, alors avec une surface égale (ouverture) des deux antennes, la directivité des deux antennes D r et D t est proportionnelle au carré de la fréquence. Par conséquent, l'efficacité de l'antenne de réception restera inchangée (la même puissance aux bornes sera extraite du même flux de densité W / m 2 , quelle que soit la fréquence), et la directivité de l'antenne d'émission augmentera proportionnellement au carré de la fréquence. En augmentant la fréquence de 2 fois, le faisceau deviendra plus mince de 4 fois, la densité de flux W / m 2 en direction de l'abonné augmentera de 4 fois.
Avec des restrictions égales sur les dimensions / poids des antennes, les fréquences plus élevées sont plus bénéfiques sur le plan énergétique.
Dans la pratique, la réalisation d'un tel avantage fondamental n'est pas si simple.
Les antennes à ouverture fixe indépendante de la fréquence ne comprennent que des antennes paraboliques spéculaires. La quantité d'énergie qu'un tel miroir recueille est indépendante de la fréquence, et le faisceau du diagramme de rayonnement s'amincit avec l'augmentation de la fréquence.
Mais la difficulté de fabrication d'une antenne parabolique d'un diamètre donné ne dépend pas seulement du diamètre. Plus la fréquence est élevée, plus les exigences de précision de la surface du miroir sont élevées et les exigences de précision de positionnement et généralement de rigidité de l'ensemble de la structure sont élevées.
Avec d'autres antennes sans miroir, la situation est beaucoup plus compliquée. Toutes les conceptions de telles antennes peuvent être décrites dans des tailles indépendantes de la fréquence (en lambda) et ont un diagramme de rayonnement fixe inhérent à ce type d'antenne, qui ne dépend pas de la fréquence de conception choisie. En d'autres termes, par exemple, une antenne à canal d'onde à 7 éléments (Uda-Yagi) aura le même diagramme de rayonnement et gagnera ~ 10 dBi quelle que soit la fréquence à laquelle elle peut être calculée: 30 MHz ou 3000 MHz. Dans le second cas, son ouverture sera 10 000 fois plus petite. Tout comme cela, il est impossible de prendre et d'augmenter la taille d'un certain type d'antenne pour augmenter l'ouverture. L'ajout de structures passives (parasites) ajoute très légèrement la directivité (par rapport à l'augmentation de taille) et seulement à de petites valeurs d'environ 16 dBi (40 fois).
Une nouvelle augmentation de l'ouverture, qui correspond à une directivité de plus de 16 dBi en pratique, n'est possible qu'en connectant de nombreuses antennes dans le projecteur (réseau phasé). Théoriquement, doubler le nombre d'éléments dans le réseau peut augmenter l'ouverture de 2 fois, c'est-à-dire forment un faisceau 2 fois plus fin avec un gain de +3 dB. Mais dans la pratique, la construction de tels projecteurs se heurte à de grandes difficultés: le signal provenant d'une seule source doit être adapté (en termes de résistance aux ondes) par les guides d'ondes en phase à chacun des N éléments du réseau.
Pour un petit nombre d'éléments, par exemple 2x2, 2x4, 3x3, ce problème est résoluble et pour un grand nombre d'éléments, il est si complexe qu'il perd toujours aux antennes à miroir parabolique, avec lesquelles il est facile de créer une directivité de 20 à 40 dBi, et dans les grands projets (comme les stations au sol communication spatiale longue distance) atteint 70 dBi (amplification d'une antenne parabolique de 70 mètres de diamètre à une fréquence de 5885 MHz).
Par exemple, nous calculons la plage de communication de la ligne point à point avec TX = 1W, la sensibilité -101 dBm avec une paire d'antennes paraboliques avec un diamètre de D = 1 mètre et l'efficacité d'ouverture k = 60% (typique pour les irradiateurs à miroir modernes)
Pour calculer le coefficient de directivité d'un miroir parabolique, nous utilisons la formule:
L'augmentation de la fréquence de 2 fois augmente la portée de 2 fois ou vous permet d'utiliser une antenne avec un diamètre d'ouverture inférieur à 2 fois d'un côté, ou de réduire le diamètre de l'antenne en SQRT (2) ~ 1,4 fois de chaque côté.
Les exigences de précision de guidage du faisceau (alignement d'antenne par abonné) croissent également proportionnellement au carré de la fréquence.
Dans cet article, nous ne considérons PAS d' autres problèmes en général, tels que la réflexion, la diffraction, la réfraction, l'absorption dans les gaz, les obstacles, l'atmosphère, l'ionosphère, le bruit et l'environnement sonore.
Conclusions
L'augmentation de la fréquence des communications radio peut présenter des avantages et des inconvénients selon le scénario d'application (spécifications techniques).
Dans les conditions de communication mobile sans accord, les basses fréquences sont plus rentables, car l'ouverture d'antenne omnidirectionnelle est proportionnelle au carré de la longueur d'onde. Une augmentation de 2 fois de la longueur d'onde augmente l'ouverture de l'antenne de 4 fois. Cela permet soit d'augmenter la portée de 2 fois (dans des conditions de visibilité et de limiter la portée de communication en fonction du budget énergétique) soit de réduire la puissance de l'émetteur de 4 fois, toutes choses égales par ailleurs.
Pour cette raison, les sacs à dos militaires, les radios automobiles et de chars continuent d'être conçus tout en bas de la gamme VHF - de 27 à 50 MHz, tandis que les communications civiles et commerciales maîtrisent sans relâche des fréquences toujours plus élevées.
Le dipôle demi-onde (ou une broche quart d'onde avec contrepoids) à des fréquences plus grandes est plus grand, ce qui est d'une part un inconvénient. D'un autre côté, c'est cette lacune qui nous permet de collecter plus d'énergie dans l'espace.
Dans les lignes point à point, les basses fréquences sont également plus avantageuses dans tous les cas, sauf pour l'utilisation d'antennes paraboliques à ouverture fixe. Pour les antennes avec la même directivité, l'ouverture diminue proportionnellement au carré de l'augmentation de fréquence. Avec une augmentation de fréquence de 2 fois, la taille d'une antenne du même type diminue de 2 fois (dans chaque mesure, c'est-à-dire que le volume diminue de 8 fois), mais le retour sur investissement est une diminution de 4 fois de l'ouverture d'une telle antenne.
Mais dans les lignes point à point avec antennes paraboliques, au contraire, le passage à des fréquences plus élevées permet aux mêmes diamètres de miroir d'améliorer le budget énergétique de 4 fois avec une augmentation de fréquence de 2 fois. Une multiplication par 2 de la fréquence vous permet de:
- ceteris paribus augmente la portée en conditions de visibilité de 2 fois
- dans la même plage, réduisez la puissance de rayonnement de 4 fois
- ceteris paribus augmente 4 fois la vitesse de la ligne
Le retour sur investissement d'une telle augmentation est dû aux exigences accrues de fabrication de précision, à la fois l'antenne elle-même et le mécanisme de guidage (ajustement) pour l'abonné.