Apa yang berubah ketika mengubah rentang frekuensi yang diterapkan dalam komunikasi radio tidak selalu dirumuskan dengan benar bahkan oleh amatir amatir radio yang berpengalaman. Di satu sisi, formula transfer Friis sangat sederhana, dan sepertinya tidak ada yang perlu didiskusikan. Di sisi lain, dalam rumus ini, selain secara eksplisit menyebutkan panjang gelombang λ, ia secara implisit disembunyikan dalam koefisien lainnya. Ada banyak dugaan, catatan, dan artikel yang, dengan frekuensi yang lebih tinggi, energi tautan radio lebih buruk, tidak ada yang lebih sedikit artikel tentang “mengungkap mitos” - katakan tidak ada frekuensi yang lebih tinggi yang lebih buruk, pelajari materiilnya.
Kedua pernyataan itu benar, dan yang ketiga juga benar - dengan peningkatan frekuensi, energetika tautan dapat meningkat secara signifikan. Itu semua tergantung pada skenario aplikasi (pembatasan yang diberlakukan).
Setiap transmisi informasi, tidak hanya menggunakan gelombang radio, tetapi juga gelombang lain (suara, gelombang EM frekuensi tinggi - yaitu cahaya, gelombang gravitasi) dapat terjadi dalam 3 skenario:
- Radiasi omni-directional dan penerimaan energi omnidirectional.
- Radiasi directional (sektor, balok sempit) dan penerimaan omnidirectional
- Emisi terarah dan penerimaan terarah
Dalam kasus pertama, tidak ada pihak yang tahu lokasi di ruang sisi kedua, atau tidak memiliki sarana untuk mengarahkan antena ke koresponden.
Skenario ini mencakup hampir semua jenis walkie-talkie (militer, sipil, penerbangan), peralatan rumah tangga (WiFi, Bluetooth, telepon nirkabel, IoT, sensor nirkabel, telematika, kunci kunci), koneksi antara probe keturunan dan stasiun luar angkasa. Antena kedua koresponden seluler harus omnidirectional (isotropik) atau dekat dengannya.
Dalam kasus kedua , jika salah satu sisi stasioner dan kemungkinan lokasi koresponden bergerak dibatasi oleh sektor ruang tertentu, antena arah dapat digunakan pada sisi stasioner, yang memusatkan energi dalam arah yang dipilih, membentuk balok. Pelanggannya mobile, dia tidak tahu lokasi atau posisi stasiun pangkalan (atau tidak memiliki sarana penunjuk antena).
Skenario ini mencakup semua jenis layanan ketika stasiun pangkalan stasioner melayani pelanggan seluler (komunikasi seluler, repeater untuk radio militer atau sipil, siaran ke pelanggan seluler, komunikasi satelit dengan pelanggan seluler, stasiun komunikasi ruang angkasa berbasis darat yang melayani probe ruang bergerak sangat). Antena stasiun induk memiliki fokus moderat dan membentuk sinar untuk melayani area ruang yang diinginkan. Idealnya, pada setiap titik di area layanan pada jarak R yang sama dari pangkalan akan ada kepadatan fluks energi yang sama W / m2. Antena koresponden seluler harus omnidirectional (isotropik).
Dalam kasus ketiga , jika kedua belah pihak menyadari lokasi pihak lain dan memiliki kemampuan untuk mengirim antena mereka di sana, Anda dapat secara signifikan menghemat energi atau meningkatkan kecepatan komunikasi dengan biaya energi yang sama, karena konsentrasi sinar di ruang angkasa.
Skenario seperti itu mencakup semua jalur point-to-point tetap: radio-relay, WiFi point-to-point, komunikasi radio amatir antara 2 pelanggan menggunakan antena directional; pelanggan yang bergerak lambat dengan kemampuan untuk memposisikan antena secara akurat ke koresponden (stasiun komunikasi ruang angkasa dan stasiun ruang angkasa dengan servos antena directional atau mesin pemosisian seluruh stasiun dengan antena directional yang dipasang dengan kaku; menjanjikan modem 5G mmWave atau StarLink Ilona Mask dengan penyetelan balok otomatis oleh array AFAR fase aktif; perspektif modem masif-MIMO dan BTS 4G / 5G menggunakan sejumlah besar antena seperti AFAR)
Di sini r (penerima) dan t (pemancar) merujuk pada antena penerima dan pemancar, Pr / Pt adalah rasio daya pada terminal antena penerima terhadap daya pada transmisi (lebih banyak lebih baik), d adalah jarak dalam satuan yang sama dengan λ (misalnya dalam meter)
Bukaan antena A (sama dengan "Area Efektif / Efektif") dikaitkan dengan pola radiasi (LN) antena dan penguatan directivity-nya (D = Directivity):
Untuk antena dalam mode terima, area antena efektif (istilah permukaan antena juga digunakan) mencirikan kemampuan antena untuk mengumpulkan (mencegat) insiden fluks daya radiasi elektromagnetik di dalamnya dan mengubah fluks daya ini menjadi daya muat.
Terlepas dari jenis dan desain antena, aperture A dan directivity D terkait secara matematis melalui panjang gelombang.
Antena omnidirectional (isotropik) memiliki D = 1 (0 dBi). Radiator isotropik yang ideal tidak ada dalam praktiknya, analog terdekat adalah dipol setengah gelombang yang biasa, di mana D ~ 1,64 (2,15 dBi)
Mari kita bandingkan aperture dari dipol setengah gelombang (atau analognya, pin seperempat gelombang dengan penyeimbang), di mana KND = 2,15 dBi
Antena pemancar dalam semua rentang membentuk pola radiasi yang sama, dekat dengan bola. Kerapatan fluks daya W / m2 dari semua sumber pada jarak yang sama R akan sama.
Tetapi karena bukaan antena penerima (juga omnidirectional) berbeda berdasarkan urutan besarnya, jumlah energi yang dikumpulkan dari kerapatan fluks yang sama akan sangat berbeda.
Ambil saluran komunikasi abstrak di mana daya pemancar TX = 1W dan sensitivitas penerima adalah -101 dBm (2 μV pada beban 50 Ohm). Di ruang terbuka (hambatan, penyerapan, refleksi, interferensi tidak dipertimbangkan di sini), jangkauan komunikasi adalah:
Di ruang terbuka (sementara rentang tidak dibatasi oleh visibilitas), meningkatkan frekuensi 2 kali lipat meningkatkan kebutuhan daya pemancar sebanyak 4 kali. Dengan daya pemancar yang sama, meningkatkan frekuensi 2 kali mengurangi jangkauan juga 2 kali.
Efek inilah yang dominan dalam menjelaskan alasan:
- CDMA / LTE-450 adalah jarak jauh untuk GSM-900, yang pada gilirannya adalah jarak jauh untuk GSM-1800.
- WiFi-2400 terjauh di belakang WiFi-5400
- Walkie-talkies 27-40 MHz jarak jauh untuk 144-174, yang pada gilirannya jarak jauh untuk 433-470
Dalam skenario No. 2 , jika di satu sisi diizinkan untuk menggunakan antena searah (sektor), situasinya persis sama seperti dalam skenario No. 1, hanya daya pemancar yang dapat dikurangi dengan penguatan antena stasiun pangkalan. Karena sektor layanan yang diperlukan tidak tergantung pada frekuensi, arah antena BS adalah sama (aperture antena BS tentu akan berbeda pada band yang berbeda). Dengan directivity BS 12 dBi (10 dB atau 10 kali lebih besar dari dipol 2 dBi) - penguatan daya akan menjadi 10 dB (10 kali), jangkauan komunikasi ke pelanggan seluler dapat sama seperti pada tabel sebelumnya, tetapi sudah pada TX = 0,1W. Untuk 5400 MHz akan kembali menjadi 25,7 km, dan untuk 27 MHz - 5142 km.
Dalam skenario 3 , kombinasi solusi yang sangat berbeda dimungkinkan.
Jika kita membuang batasan dan kesulitan desain, maka dengan area yang sama (aperture) dari kedua antena, directivity dari kedua antena D r dan Dt sebanding dengan kuadrat frekuensi. Oleh karena itu, efisiensi antena penerima akan tetap tidak berubah (kekuatan yang sama di terminal akan diekstraksi dari aliran kepadatan yang sama W / m2, terlepas dari frekuensi), dan direktivitas antena pemancar akan meningkat sebanding dengan kuadrat frekuensi. Dengan meningkatkan frekuensi 2 kali, balok akan menjadi lebih tipis 4 kali, kepadatan fluks W / m 2 dalam arah pelanggan akan meningkat 4 kali lipat.
Dengan batasan yang sama pada dimensi / berat antena, frekuensi yang lebih tinggi lebih menguntungkan secara energetik.
Dalam praktiknya, menyadari keunggulan mendasar semacam itu tidaklah sesederhana itu.
Antena dengan apertur independen frekuensi tetap hanya menyertakan antena parabola specular. Jumlah energi yang dikumpulkan cermin tersebut tidak tergantung pada frekuensi, dan sinar pola radiasi menjadi lebih tipis dengan meningkatnya frekuensi.
Tetapi kesulitan dalam pembuatan antena parabola dengan diameter tertentu tidak hanya bergantung pada diameternya. Semakin tinggi frekuensi, semakin tinggi persyaratan untuk keakuratan permukaan cermin dan semakin tinggi persyaratan untuk keakuratan penentuan posisi dan umumnya kekakuan seluruh struktur.
Dengan antena non-cermin lainnya, situasinya jauh lebih rumit. Semua desain antena tersebut dapat dijelaskan dalam ukuran frekuensi-independen (dalam lambda) dan memiliki pola radiasi tetap yang melekat pada antena jenis ini, yang tidak tergantung pada frekuensi desain yang dipilih. Dengan kata lain, misalnya, antena saluran gelombang 7-elemen (Uda-Yagi) akan memiliki pola radiasi yang sama dan mendapatkan ~ 10 dBi terlepas dari frekuensi apa yang dapat dihitung pada: 30 MHz atau 3000 MHz. Dalam kasus kedua, aperture-nya akan 10.000 kali lebih kecil. Sama seperti itu, tidak mungkin untuk mengambil dan meningkatkan ukuran beberapa jenis antena untuk meningkatkan aperture. Menambahkan struktur pasif (parasit) menambah direktivitas sangat sedikit (dibandingkan dengan peningkatan ukuran) dan hanya nilai-nilai kecil sekitar 16 dBi (40 kali).
Peningkatan lebih lanjut dalam aperture, yang sesuai dengan directivity lebih dari 16 dBi dalam praktiknya, hanya dimungkinkan dengan menghubungkan banyak antena di headlamp (phased array). Secara teoritis, menggandakan jumlah elemen dalam kisi dapat meningkatkan celah sebanyak 2 kali, yaitu membentuk balok 2 kali lebih tipis dengan gain +3 dB. Namun dalam praktiknya, pembangunan lampu depan seperti itu sarat dengan kesulitan besar: sinyal dari satu sumber harus dicocokkan (dalam hal ketahanan gelombang) oleh pandu gelombang dalam fase ke masing-masing elemen N array.
Untuk sejumlah kecil elemen, misalnya 2x2, 2x4, 3x3, masalah ini dapat dipecahkan, dan untuk sejumlah besar elemen sangat kompleks sehingga selalu kehilangan antena parabola cermin, yang dengannya mudah untuk membuat direktivitas 20-40 dBi, dan dalam proyek besar (seperti stasiun bumi) komunikasi ruang jarak jauh) mencapai 70 dBi (amplifikasi antena parabola dengan diameter 70 meter pada frekuensi 5885 MHz).
Sebagai contoh, kami menghitung rentang komunikasi garis point-to-point dengan TX = 1W, sensitivitas -101 dBm dengan sepasang antena parabola dengan diameter D = 1 meter dan efisiensi aperture k = 60% (tipikal untuk irradiator cermin modern)
Untuk menghitung koefisien direktivitas cermin parabola, kami menggunakan rumus:
Menambah frekuensi 2 kali meningkatkan jangkauan 2 kali atau memungkinkan Anda menggunakan antena dengan diameter apertur kurang dari 2 kali di satu sisi, atau mengurangi diameter antena di SQRT (2) ~ 1,4 kali di setiap sisi.
Persyaratan untuk akurasi pemandu sinar (perataan antena per pelanggan) juga tumbuh sebanding dengan kuadrat frekuensi.
Dalam artikel ini, kami TIDAK mempertimbangkan masalah lain secara umum, seperti refleksi, difraksi, refraksi, penyerapan gas, hambatan, atmosfer, ionosfer, kebisingan dan lingkungan kebisingan
Kesimpulan
Menambah frekuensi komunikasi radio dapat memberikan kelebihan dan kekurangan tergantung pada skenario aplikasi (spesifikasi teknis).
Dalam kondisi komunikasi non-tuning seluler, frekuensi rendah lebih menguntungkan, karena bukaan antena omnidirectional sebanding dengan kuadrat panjang gelombang. Peningkatan panjang gelombang 2 kali lipat meningkatkan bukaan antena sebanyak 4 kali. Hal ini memungkinkan untuk meningkatkan jangkauan 2 kali (dalam kondisi visibilitas dan membatasi jangkauan komunikasi sesuai dengan anggaran energi) atau mengurangi daya pemancar sebanyak 4 kali, semua hal lain dianggap sama.
Karena alasan ini, ransel militer, mobil, dan radio tank terus dirancang hingga paling bawah dari kisaran VHF - mulai 27 hingga 50 MHz, sementara komunikasi sipil dan komersial terus-menerus menguasai frekuensi yang lebih tinggi.
Dipol setengah gelombang (atau pin seperempat gelombang dengan imbangan) pada frekuensi yang lebih besar lebih besar, yang di satu sisi merupakan kelemahan. Di sisi lain, kekurangan inilah yang memungkinkan kita mengumpulkan lebih banyak energi dari ruang angkasa.
Dalam garis point-to-point, frekuensi rendah juga lebih bermanfaat dalam semua kasus, kecuali untuk penggunaan antena parabola dengan aperture tetap. Untuk antena dengan directivity yang sama, aperture menurun sebanding dengan kuadrat peningkatan frekuensi. Dengan peningkatan frekuensi 2 kali lipat, ukuran antena dari jenis yang sama berkurang 2 kali (dalam setiap pengukuran, mis., Volume berkurang 8 kali), tetapi pengembalian untuk ini adalah penurunan 4 kali lipat dalam aperture antena tersebut.
Tetapi dalam garis point-to-point dengan antena parabola, sebaliknya, beralih ke frekuensi yang lebih tinggi memungkinkan untuk diameter cermin yang sama untuk meningkatkan anggaran energi sebesar 4 kali dengan peningkatan frekuensi 2 kali. Peningkatan frekuensi 2 kali lipat memungkinkan Anda untuk:
- ceteris paribus meningkatkan kisaran dalam kondisi visibilitas 2 kali
- pada kisaran yang sama, kurangi daya radiasi sebanyak 4 kali
- ceteris paribus meningkatkan kecepatan garis 4 kali
Pengembalian untuk peningkatan tersebut adalah peningkatan persyaratan untuk pembuatan presisi, baik antena itu sendiri dan mekanisme bimbingan (penyesuaian) untuk pelanggan.