फ्री स्पेस में रेडियो लिंक की ऊर्जा पर सिग्नल फ्रीक्वेंसी का प्रभाव

रेडियो संचार में लागू आवृत्ति रेंज को बदलते समय क्या बदलाव हमेशा अनुभवी शौकिया रेडियो एमेच्योर द्वारा भी सही ढंग से तैयार नहीं किए जाते हैं। एक ओर, फ्रिस ट्रांसफर फॉर्मूला बेहद सरल है, और इस पर चर्चा नहीं होगी। दूसरी ओर, इस सूत्र में, तरंग दैर्ध्य λ का स्पष्ट रूप से उल्लेख करने के अलावा, यह अन्य गुणांक में छिपा हुआ है। कई आरोप, नोट्स और लेख हैं, जो उच्च आवृत्तियों के साथ, रेडियो लिंक की ऊर्जा बदतर हैं, "मिथक को उजागर करने" के कोई कम लेख नहीं हैं - कहते हैं कि उच्चतर आवृत्तियों के कुछ भी बदतर नहीं हैं, मातृत्व सीखें।

दोनों कथन सत्य हैं, और तीसरा भी सत्य है - आवृत्ति में वृद्धि के साथ, लिंक ऊर्जावान में काफी सुधार हो सकता है। यह सब अनुप्रयोग परिदृश्य (लगाए गए प्रतिबंधों) पर निर्भर करता है।

सूचना का कोई भी संचरण, न केवल रेडियो तरंगों का उपयोग कर रहा है, बल्कि किसी भी अन्य तरंगों (ध्वनि, उच्च आवृत्तियों की ईएम तरंगें - अर्थात् प्रकाश, गुरुत्वाकर्षण तरंगों) 3 परिदृश्यों में हो सकता है:

1. ओमनी-दिशात्मक विकिरण और सर्वदिशात्मक ऊर्जा रिसेप्शन।
2. दिशात्मक (क्षेत्र, संकीर्ण बीम) विकिरण और सर्वदिशात्मक स्वागत
3. दिशात्मक उत्सर्जन और दिशात्मक स्वागत

पहले मामले में, दूसरे पक्ष के स्थान में न तो पक्ष को पता है , न ही संवाददाता को इसके एंटेना को इंगित करने का साधन है।

इस परिदृश्य में लगभग सभी प्रकार के वॉकी-टॉकी (सैन्य, नागरिक, विमानन), घरेलू उपकरण (वाईफाई, ब्लूटूथ, कॉर्डलेस फोन, IoT, वायरलेस सेंसर, टेलीमैटिक्स, कुंजी ताले), वंश जांच और इसके अंतरिक्ष स्टेशन के बीच संबंध शामिल हैं। दोनों मोबाइल संवाददाताओं के एंटेना सर्वव्यापी (आइसोट्रोपिक) या उनके करीब होने चाहिए।

दूसरे मामले में , यदि पक्षों में से एक स्थिर है और मोबाइल संवाददाता का संभावित स्थान अंतरिक्ष के एक निश्चित क्षेत्र द्वारा सीमित है, तो एक दिशात्मक ऐन्टेना का उपयोग स्थिर तरफ किया जा सकता है, जो एक चुने हुए दिशा में ऊर्जा को केंद्रित करता है, जो एक बीम बनाता है। ग्राहक मोबाइल है, वह या तो अपने स्थान या बेस स्टेशन की स्थिति नहीं जानता है (या ऐन्टेना पॉइंटिंग साधन नहीं है)।

इस परिदृश्य में सभी प्रकार की सेवाएँ शामिल हैं जब एक स्थिर बेस स्टेशन मोबाइल सब्सक्राइबर (सेल्युलर संचार, सैन्य या नागरिक रेडियो के लिए रिपीटर, मोबाइल ग्राहकों के लिए प्रसारण, मोबाइल ग्राहकों के साथ उपग्रह संचार, अत्यधिक मोबाइल स्पेस प्रोब परोसने वाले ग्राउंड-बेस्ड स्पेस कम्युनिकेशन स्टेशन) परोसता है। बेस स्टेशन के एंटीना में मध्यम फोकस होता है और अंतरिक्ष के वांछित क्षेत्र की सेवा करने के लिए एक बीम बनाता है। आदर्श रूप से, आधार से समान दूरी आर पर सेवा क्षेत्र में किसी भी बिंदु पर समान ऊर्जा प्रवाह घनत्व डब्ल्यू / एम 2 होगा। मोबाइल संवाददाता का एंटीना सर्वव्यापी (आइसोट्रोपिक) होना चाहिए।

तीसरे मामले में , यदि दोनों पक्ष दूसरे पक्ष के स्थान के बारे में जानते हैं और वहां अपने एंटेना भेजने की क्षमता रखते हैं, तो आप अंतरिक्ष में बीम की सांद्रता के कारण, ऊर्जा की समान ऊर्जा लागत में काफी बचत कर सकते हैं या संचार गति बढ़ा सकते हैं।

इस तरह के परिदृश्य में सभी निश्चित बिंदु-से-बिंदु रेखाएं शामिल हैं: रेडियो-रिले, वाईफाई प्वाइंट-टू-पॉइंट, दिशात्मक एंटेना का उपयोग करते हुए 2 ग्राहकों के बीच शौकिया रेडियो संचार; धीमे-धीमे आरोहित दिशा-निर्देश वाले एंटीना के साथ संवाददाता (ग्राउंड-बेस्ड स्पेस कम्यूनिकेशन स्टेशन और स्पेस स्टेशन को पूरे एंटीना स्टेशन या पोजिशनिंग इंजन के साथ सही जगह पर रखने की क्षमता रखने वाले धीमे-धीमे सब्सक्राइबर; बड़े पैमाने पर एमआईएमओ मॉडेम और 4 जी / 5 जी बेस स्टेशनों का बड़ी संख्या में उपयोग कर एएफएआर जैसे एंटेना)

फ्रिस सूत्र में वापस

यहाँ r (रिसीवर) और t (ट्रांसमीटर) प्राप्त करने और प्रसारित करने वाले एंटेना को संदर्भित करते हैं, Pr / Pt संचारण पर पावर को प्राप्त ऐन्टेना के टर्मिनलों पर शक्ति का अनुपात है (अधिक बेहतर है), d उसी इकाइयों में दूरी λ के रूप में है (उदाहरण के लिए) मीटर में)

एंटीना ए का एपर्चर ("प्रभावी / प्रभावी क्षेत्र" के समान) ऐन्टेना के विकिरण पैटर्न (एलएन) और इसकी प्रत्यक्षता लाभ (डी = डायरेक्टिविटी) के साथ जुड़ा हुआ है:

प्राप्त मोड में एक एंटीना के लिए, प्रभावी ऐन्टेना क्षेत्र (शब्द प्रभावी ऐन्टेना सतह का उपयोग भी किया जाता है) एंटीना की उस पर विद्युत चुम्बकीय विकिरण शक्ति प्रवाह घटना को इकट्ठा करने (अवरोधन) की क्षमता को चिह्नित करता है और बिजली लोड करने के लिए इस शक्ति प्रवाह को परिवर्तित करता है।

एंटीना के प्रकार और डिजाइन के बावजूद, इसकी एपर्चर ए और प्रत्यक्षता डी गणितीय रूप से तरंग दैर्ध्य के माध्यम से संबंधित हैं ।

एक सर्वव्यापी (आइसोट्रोपिक) एंटीना में D = 1 (0 dBi) होता है। एक आदर्श आइसोट्रोपिक रेडिएटर अभ्यास में मौजूद नहीं है, निकटतम एनालॉग सामान्य आधा लहर द्विध्रुवीय है, जिसके लिए डी ~ 1.64 (2.15 डीबी)

आइए हम एक आधे-लहर द्विध्रुवीय (या इसके एनालॉग, एक काउंटरवेट के साथ एक चौथाई-तरंग पिन) की तुलना करें, जिसमें KND = 2.15 dBi

सभी श्रेणियों में संचारण एंटीना समान है, गोलाकार, विकिरण पैटर्न के करीब। समान दूरी R पर सभी स्रोतों से शक्ति प्रवाह घनत्व W / m ² समान होगा।

लेकिन चूंकि प्राप्त करने के एपर्चर (भी सर्वदिशात्मक) एंटीना परिमाण के आदेशों से भिन्न होते हैं, इसलिए एक ही फ्लक्स घनत्व से एकत्रित ऊर्जा की मात्रा बहुत अलग होगी।

एक सार संचार चैनल लें जिसमें ट्रांसमीटर शक्ति TX = 1W है और रिसीवर संवेदनशीलता -101 डीबीएम (50 ओम लोड पर 2 μV) है। खुली जगह में (बाधाएं, अवशोषण, प्रतिबिंब, हस्तक्षेप यहां नहीं माना जाता है), संचार सीमा है:

खुली जगह में (जबकि सीमा दृश्यता द्वारा सीमित नहीं है), आवृत्ति में 2 गुना वृद्धि से ट्रांसमीटर की बिजली आवश्यकताओं में 4 गुना की वृद्धि होती है। समान ट्रांसमीटर शक्ति के साथ, आवृत्ति को 2 गुना बढ़ाने से सीमा भी 2 गुना कम हो जाती है।

यह ऐसा प्रभाव है जो यह समझाने में प्रमुख है कि:

• CDMA / LTE-450 GSM-900 के लिए लंबी दूरी की है, जो बदले में GSM-1800 के लिए लंबी दूरी की है।
• WiFi-5400 से पीछे WiFi -2400
• वाकी-टॉकीज 27-40 मेगाहर्ट्ज लंबी दूरी 144-174 के लिए, जो लंबी दूरी में 433-470 के लिए

परिदृश्य नंबर 2 में , यदि एक तरफ इसे एक यूनिडायरेक्शनल (सेक्टर) एंटीना का उपयोग करने की अनुमति दी जाती है, तो स्थिति बिल्कुल वैसा ही है जैसा कि परिदृश्य नंबर 1 में है, केवल बेस स्टेशन के एंटीना लाभ से ट्रांसमीटर शक्ति को कम किया जा सकता है। चूंकि आवश्यक सेवा क्षेत्र आवृत्ति पर निर्भर नहीं करता है, बीएस एंटीना की दिशा समान है (बीएस के एंटीना एपर्चर निश्चित रूप से अलग-अलग बैंड पर अलग होंगे)। 12 डीबीआई (10 डीबी या 10 गुना 2 डीबीआई डिपोल की तुलना में अधिक) की बीएस दिशा के साथ - बिजली का लाभ 10 डीबी (10 गुना) होगा, एक मोबाइल ग्राहक के लिए संचार सीमा पिछली तालिका के समान हो सकती है, लेकिन पहले से ही TX = 0.1W। 5400 मेगाहर्ट्ज के लिए फिर से 25.7 किमी और 27 मेगाहर्ट्ज के लिए - 5142 किमी होगा।

परिदृश्य 3 में , समाधानों के बहुत अलग संयोजन संभव हैं।

यदि हम डिजाइन बाधाओं और कठिनाइयों को छोड़ देते हैं, तो दोनों एंटेना के बराबर क्षेत्र (एपर्चर) के साथ, दोनों एंटेना डी _आर और डी _{टी की} प्रत्यक्षता आवृत्ति के वर्ग के लिए आनुपातिक है। इसलिए, प्राप्त ऐन्टेना की दक्षता अपरिवर्तित रहेगी (टर्मिनलों पर समान शक्ति को समान घनत्व प्रवाह डब्ल्यू / एम ² से निकाला जाएगा, आवृत्ति की परवाह किए बिना), और संचारण एंटीना की दिशा आवृत्ति के वर्ग के अनुपात में बढ़ जाएगी। आवृत्ति को 2 गुना बढ़ाने से, बीम 4 गुना पतला हो जाएगा, ग्राहक की दिशा में फ्लक्स घनत्व W / m ² 4 गुना बढ़ जाएगा।

एंटेना के आयामों / वजन पर समान प्रतिबंधों के साथ, उच्च आवृत्तियां अधिक ऊर्जावान रूप से लाभप्रद हैं।

व्यवहार में, इस तरह के एक मौलिक लाभ का एहसास इतना आसान नहीं है।

एक निश्चित आवृत्ति-स्वतंत्र एपर्चर वाले एंटेना में केवल स्पेक्युलर पैराबोलिक एंटेना शामिल हैं। इस तरह के दर्पण को इकट्ठा करने वाली ऊर्जा की मात्रा आवृत्ति से स्वतंत्र होती है, और बढ़ती आवृत्ति के साथ विकिरण पैटर्न का बीम पतला हो जाता है।
लेकिन किसी दिए गए व्यास के परवलयिक एंटीना के निर्माण में कठिनाई न केवल व्यास पर निर्भर करती है। उच्च आवृत्ति, दर्पण की सतह की सटीकता के लिए आवश्यकताएं और स्थिति की सटीकता के लिए उच्च आवश्यकताएं और आम तौर पर पूरे ढांचे की कठोरता।

अन्य, गैर-दर्पण एंटेना के साथ, स्थिति बहुत अधिक जटिल है। ऐसे एंटेना के सभी डिजाइनों को आवृत्ति-स्वतंत्र आकार (लंबोदर में) में वर्णित किया जा सकता है और इस प्रकार के एंटीना में निहित एक निश्चित विकिरण पैटर्न होता है, जो चुने हुए डिजाइन आवृत्ति पर निर्भर नहीं करता है। दूसरे शब्दों में, उदाहरण के लिए, एक 7-तत्व तरंग चैनल एंटीना (उद-यागी) में एक ही विकिरण पैटर्न होगा और ~ 10 dBi की परवाह किए बिना कि किस आवृत्ति पर इसकी गणना की जा सकती है: 30 MHz या 3000 MHz। दूसरे मामले में, इसका एपर्चर 10,000 गुना छोटा होगा। बस इसी तरह, एपर्चर को बढ़ाने के लिए कुछ प्रकार के एंटीना का आकार लेना और बढ़ाना असंभव है। किसी भी निष्क्रिय (परजीवी) संरचनाओं को जोड़ना बहुत कम (आकार में वृद्धि की तुलना में) दिशात्मकता जोड़ता है और केवल लगभग 16 डीबीआई (40 गुना) के छोटे मूल्यों तक।

एपर्चर में एक और वृद्धि, जो व्यवहार में 16 से अधिक डीबीआई की प्रत्यक्षता से मेल खाती है, केवल हेडलैम्प (चरणबद्ध सरणी) में कई एंटेना को जोड़ने से संभव है। सैद्धांतिक रूप से, जाली में तत्वों की संख्या को दोगुना करने से एपर्चर 2 गुना बढ़ सकता है, अर्थात। +3 डीबी के लाभ के साथ 2 गुना पतला बीम बनाएं। लेकिन व्यवहार में, इस तरह के हेडलैम्प्स का निर्माण बड़ी कठिनाइयों से भरा होता है: एक ही स्रोत से सिग्नल को तरंगों के चरण में सरणी के प्रत्येक एन तत्वों से मेल खाना चाहिए (तरंग प्रतिरोध के संदर्भ में)।

तत्वों की एक छोटी संख्या के लिए, उदाहरण के लिए 2x2, 2x4, 3x3, यह समस्या हल करने योग्य है, और बड़ी संख्या में तत्वों के लिए यह इतना जटिल है कि यह हमेशा परवलयिक दर्पण एंटेना को खो देता है, जिसके साथ 20-40 डीबीआई की प्रत्यक्षता बनाना आसान है, और बड़ी परियोजनाओं में (जैसे ग्राउंड स्टेशन) लंबी दूरी की अंतरिक्ष संचार) 70 dBi (5885 मेगाहर्ट्ज की आवृत्ति पर 70 मीटर के व्यास के साथ एक परवलयिक एंटीना का प्रवर्धन) तक पहुंचता है।

एक उदाहरण के रूप में, हम TX = 1W के साथ पॉइंट-टू-पॉइंट लाइन के संचार रेंज की गणना करते हैं, डी -1 मीटर के व्यास के साथ पैराबोलिक एंटेना की एक जोड़ी के साथ संवेदनशीलता -101 डीबीएम है और एपर्चर दक्षता k = 60% (आधुनिक दर्पण irradiators के लिए विशिष्ट)

परवलयिक दर्पण के गुणांक गुणांक की गणना करने के लिए, हम सूत्र का उपयोग करते हैं:

आवृत्ति को 2 गुना बढ़ाने से सीमा 2 गुना बढ़ जाती है या आपको एक तरफ से 2 गुना कम एपर्चर व्यास के साथ एक एंटीना का उपयोग करने की अनुमति देता है, या प्रत्येक पक्ष में SQRT (2) ~ 1.4 गुना में एंटीना व्यास को कम करता है।

बीम मार्गदर्शन सटीकता (प्रति ग्राहक एंटीना संरेखण) की आवश्यकताएं भी आवृत्ति के वर्ग के अनुपात में बढ़ती हैं।

इस लेख में, हम सामान्य रूप से अन्य मुद्दों पर विचार नहीं करते हैं , जैसे कि प्रतिबिंब, विवर्तन, अपवर्तन, गैसों में अवशोषण, बाधाएं, वातावरण, आयनमंडल, शोर और शोर वातावरण

निष्कर्ष

रेडियो संचार की आवृत्ति को बढ़ाने से आवेदन परिदृश्य (तकनीकी विनिर्देश) के आधार पर फायदे और नुकसान दोनों हो सकते हैं।

मोबाइल नॉन-ट्यूनिंग संचार की स्थितियों में, कम आवृत्तियों अधिक लाभदायक हैं, क्योंकि सर्वव्यापी एंटीना एपर्चर तरंग दैर्ध्य के वर्ग के लिए आनुपातिक है। तरंग दैर्ध्य में 2 गुना वृद्धि एंटीना एपर्चर को 4 गुना बढ़ा देती है। इससे या तो सीमा को 2 गुना बढ़ाना संभव हो सकता है (दृश्यता की शर्तों के तहत और ऊर्जा बजट के अनुसार संचार सीमा को सीमित करना) या ट्रांसमीटर शक्ति को 4 गुना कम करना, अन्य सभी चीजें समान होना।

इस कारण से, सैन्य knapsacks, ऑटोमोबाइल और टैंक रेडियो VHF रेंज के बहुत नीचे से डिजाइन किए जाते हैं - 27 से 50 मेगाहर्ट्ज तक, जबकि नागरिक और वाणिज्यिक संचार लगातार उच्च आवृत्तियों में महारत हासिल कर रहे हैं।

बड़ी आवृत्तियों पर अर्ध-तरंग द्विध्रुव (या एक प्रति-तरंग के साथ एक प्रति-तरंग पिन) बड़ा होता है, जो एक तरफ एक खामी है। दूसरी ओर, यह कमी है जो हमें अंतरिक्ष से अधिक ऊर्जा एकत्र करने की अनुमति देती है।

पॉइंट-टू-पॉइंट लाइनों में, एक निश्चित एपर्चर के साथ पैराबोलिक एंटेना के उपयोग को छोड़कर, सभी मामलों में कम आवृत्तियों भी अधिक फायदेमंद होती हैं। समान निर्देशन वाले एंटेना के लिए, आवृत्ति वृद्धि के वर्ग के अनुपात में एपर्चर घटता है। आवृत्ति में 2 गुना वृद्धि के साथ, एक ही प्रकार के ऐन्टेना का आकार 2 गुना (प्रत्येक माप में, यानी, मात्रा 8 गुना कम हो जाता है) के साथ कम हो जाता है, लेकिन इस तरह के ऐन्टेना के एपर्चर में 4 गुना कमी होती है।

लेकिन इसके विपरीत पराबैंगनी एंटेना के साथ पॉइंट-टू-पॉइंट लाइनें, इसके विपरीत, उच्च आवृत्तियों पर स्विच करने से एक ही दर्पण व्यास के लिए 2 बार की आवृत्ति वृद्धि के साथ 4 बार ऊर्जा बजट में सुधार करने की अनुमति मिलती है। आवृत्ति में 2 गुना वृद्धि आपको इसकी अनुमति देती है:

• Ceteris paribus दृश्यता की स्थितियों में सीमा को 2 गुना बढ़ा देता है
• उसी सीमा पर, विकिरण शक्ति को 4 गुना कम करें
• ceteris paribus पंक्ति की गति को 4 गुना बढ़ा देता है

इस तरह की वृद्धि के लिए पेबैक सटीक विनिर्माण के लिए बढ़ी हुई आवश्यकताएं हैं, दोनों एंटीना और ग्राहक को मार्गदर्शन (समायोजन) के तंत्र।