O que muda ao alterar a faixa de frequência aplicada nas radiocomunicações nem sempre é formulado corretamente, mesmo por amadores experientes de rádio amador. Por um lado, a fórmula de transferência de Friis é extremamente simples e parece que não há nada para discutir. Por outro lado, nessa fórmula, além de mencionar explicitamente o comprimento de onda λ, está implicitamente oculto em outros coeficientes. Existem muitas alegações, notas e artigos de que, com frequências mais altas, a energia dos links de rádio é pior, não há menos artigos de “expor o mito” - digamos que nada, as frequências mais altas são piores, aprendem o material.
Ambas as afirmações são verdadeiras e a terceira também é verdadeira - com um aumento na frequência, a energia do link pode melhorar significativamente. Tudo depende do cenário do aplicativo (restrições impostas).
Qualquer transmissão de informações, não apenas usando ondas de rádio, mas também outras ondas (som, ondas EM de frequências mais altas - ou seja, ondas gravitacionais e de luz) pode ocorrer em 3 cenários:
- Radiação omnidirecional e recepção de energia omnidirecional.
- Radiação direcional (setor, feixe estreito) e recepção omnidirecional
- Emissão direcional e recepção direcional
No primeiro caso, nenhum dos lados conhece a localização no espaço do segundo lado ou não tem meios de apontar suas antenas para o correspondente.
Esse cenário inclui quase todos os tipos de walkie-talkies (militares, civis, aviação), eletrodomésticos (WiFi, Bluetooth, telefones sem fio, IoT, sensores sem fio, telemática, trava de teclas), a conexão entre a sonda de descida e sua estação espacial. As antenas de ambos os correspondentes móveis devem ser onidirecionais (isotrópicas) ou próximas a elas.
No segundo caso , se um dos lados é estacionário e a localização provável do correspondente móvel é limitada por um determinado setor do espaço, uma antena direcional pode ser usada no lado estacionário, que concentra energia na direção escolhida, formando um feixe. O assinante é móvel, ele não sabe nem sua localização nem a posição da estação base (ou não possui meios de apontar antena).
Esse cenário inclui todos os tipos de serviços quando uma estação base estacionária atende assinantes móveis (comunicações celulares, repetidores de rádios civis ou militares, transmitindo para assinantes móveis, comunicações via satélite com assinantes móveis, estações de comunicação espacial terrestre que servem sondas espaciais altamente móveis). A antena da estação base tem um foco moderado e forma um feixe para servir a área de espaço desejada. Idealmente, em qualquer ponto da área de serviço à mesma distância R da base, haverá a mesma densidade de fluxo de energia W / m2. A antena do correspondente móvel deve ser onidirecional (isotrópica).
No terceiro caso , se ambas as partes estiverem cientes da localização do outro lado e tiverem a capacidade de enviar suas antenas para lá, você poderá economizar energia significativamente ou aumentar a velocidade de comunicação com os mesmos custos de energia, devido à concentração do feixe no espaço.
Esse cenário inclui todas as linhas ponto a ponto fixas: relé de rádio, ponto a ponto WiFi, comunicação de rádio amador entre 2 assinantes usando antenas direcionais; assinantes em movimento lento, com a capacidade de posicionar com precisão as antenas ao correspondente (estação de comunicação espacial terrestre e estação espacial com servos direcionais de antena ou motores de posicionamento de toda a estação com uma antena direcional rigidamente fixa; promissores modens 5G mmWave ou StarLink Ilona Mask com ajuste automático de feixe pelo array em fase ativo AFAR; perspectiva modems MIMO massivos e estações base 4G / 5G usando um grande número de antenas como o AFAR)
Aqui r (receptor) e t (transmissor) se referem às antenas de recepção e transmissão, Pr / Pt é a razão da potência nos terminais da antena receptora e a potência na transmissão (mais é melhor), d é a distância nas mesmas unidades que λ (por exemplo em metros)
A abertura da antena A (igual a "Área efetiva / efetiva") está associada ao padrão de radiação (LN) da antena e seu ganho de diretividade (D = diretividade):
Para uma antena no modo de recebimento, a área efetiva da antena (o termo superfície efetiva da antena também é usada) caracteriza a capacidade da antena de coletar (interceptar) o fluxo de energia de radiação eletromagnética incidente nela e converter esse fluxo de energia em carga.
Independentemente do tipo e design da antena, sua abertura A e diretividade D são matematicamente relacionadas ao longo do comprimento de onda.
Uma antena omnidirecional (isotrópica) tem D = 1 (0 dBi). Na prática, não existe um radiador isotrópico ideal; o analógico mais próximo é o dipolo de meia onda usual, para o qual D ~ 1,64 (2,15 dBi)
Vamos comparar a abertura de um dipolo de meia onda (ou seu análogo, um pino de quarto de onda com um contrapeso), em que o KND = 2,15 dBi
A antena transmissora em todas as faixas forma o mesmo padrão de radiação esférico. A densidade do fluxo de potência W / m 2 de todas as fontes na mesma distância R será a mesma.
Mas como a abertura da antena receptora (também omnidirecional) difere em ordens de magnitude, a quantidade de energia coletada da mesma densidade de fluxo será muito diferente.
Tome um canal de comunicação abstrato no qual a potência do transmissor seja TX = 1W e a sensibilidade do receptor seja -101 dBm (2 μV com carga de 50 Ohm). No espaço aberto (obstáculos, absorção, reflexão, interferência não são considerados aqui), o alcance da comunicação é:
Em espaço aberto (enquanto o alcance não é limitado pela visibilidade), aumentar a frequência em 2 vezes aumenta os requisitos de energia do transmissor em 4 vezes. Com a mesma potência do transmissor, aumentar a frequência em 2 vezes reduz o alcance também em 2 vezes.
É esse efeito que é dominante ao explicar o porquê:
- O CDMA / LTE-450 é de longo alcance para o GSM-900, que por sua vez é de longo alcance para o GSM-1800.
- WiFi-2400 mais distante atrás do WiFi-5400
- Walkie-talkies de longo alcance de 27-40 MHz para 144-174, que por sua vez de longo alcance para 433-470
No cenário 2 , se por um lado é permitido o uso de uma antena unidirecional (setor), a situação é exatamente a mesma do cenário 1, apenas a potência do transmissor pode ser reduzida pelo ganho da antena da estação base. Como o setor de serviço necessário não depende da frequência, a direção da antena BS é a mesma (a abertura da antena do BS certamente será diferente em faixas diferentes). Com uma diretividade BS de 12 dBi (10 dB ou 10 vezes maior que a de um dipolo de 2 dBi) - o ganho de potência será de 10 dB (10 vezes), o alcance da comunicação para um assinante móvel pode ser o mesmo da tabela anterior, mas já em TX = 0,1W. Para 5400 MHz, serão novamente 25,7 km e para 27 MHz - 5142 km.
No cenário 3 , combinações muito diferentes de soluções são possíveis.
Se descartarmos restrições e dificuldades de projeto, com uma área igual (abertura) de ambas as antenas, a diretividade de ambas as antenas D r e D t é proporcional ao quadrado da frequência. Portanto, a eficiência da antena receptora permanecerá inalterada (a mesma potência nos terminais será extraída do mesmo fluxo de densidade W / m 2 , independentemente da frequência), e a diretividade da antena transmissora aumentará proporcionalmente ao quadrado da frequência. Ao aumentar a frequência em 2 vezes, o feixe se torna mais fino em 4 vezes, a densidade de fluxo W / m 2 na direção do assinante aumenta em 4 vezes.
Com restrições iguais nas dimensões / peso das antenas, frequências mais altas são mais benéficas em termos energéticos.
Na prática, realizar uma vantagem tão fundamental não é tão simples.
As antenas com uma abertura independente de frequência fixa incluem apenas antenas parabólicas especulares. A quantidade de energia que esse espelho coleta é independente da frequência, e o feixe do padrão de radiação se torna mais fino com o aumento da frequência.
Mas a dificuldade de fabricar uma antena parabólica de um determinado diâmetro depende não apenas do diâmetro. Quanto maior a frequência, maiores são os requisitos para a precisão da superfície do espelho e maiores são os requisitos para a precisão do posicionamento e, geralmente, a rigidez de toda a estrutura.
Com outras antenas não espelhadas, a situação é muito mais complicada. Todos os projetos dessas antenas podem ser descritos em tamanhos independentes de frequência (em lambda) e têm um padrão de radiação fixo inerente a esse tipo de antena, o que não depende da frequência de projeto escolhida. Em outras palavras, por exemplo, uma antena de canal de onda de 7 elementos (Uda-Yagi) terá o mesmo padrão de radiação e ganhará ~ 10 dBi, independentemente de qual frequência pode ser calculada em: 30 MHz ou 3000 MHz. No segundo caso, sua abertura será 10.000 vezes menor. Assim, é impossível capturar e aumentar o tamanho de algum tipo de antena para aumentar a abertura. A adição de estruturas passivas (parasitárias) adiciona diretividade muito levemente (em comparação com o aumento no tamanho) e apenas a pequenos valores de cerca de 16 dBi (40 vezes).
Um aumento adicional na abertura, o que corresponde a uma diretividade superior a 16 dBi na prática, é possível apenas conectando muitas antenas no farol (disposição em fases). Teoricamente, dobrar o número de elementos na rede pode aumentar a abertura em 2 vezes, isto é, forma um feixe 2 vezes mais fino com um ganho de +3 dB. Mas, na prática, a construção desses faróis está repleta de grandes dificuldades: o sinal de uma única fonte deve ser correspondido (em termos de resistência das ondas) pelos guias de onda em fase a cada um dos N elementos da matriz.
Para um pequeno número de elementos, por exemplo, 2x2, 2x4, 3x3, esse problema é solucionável e, para um grande número de elementos, é tão complexo que sempre perde para antenas parabólicas de espelho, com as quais é fácil criar uma diretividade de 20-40 dBi e em grandes projetos (como estações terrestres) comunicação espacial de longa distância) atinge 70 dBi (amplificação de uma antena parabólica com um diâmetro de 70 metros a uma frequência de 5885 MHz).
Como exemplo, calculamos o alcance da comunicação da linha ponto a ponto com TX = 1W, sensibilidade -101 dBm com um par de antenas parabólicas com diâmetro de D = 1 metro e eficiência de abertura k = 60% (típico para irradiadores de espelho modernos)
Para calcular o coeficiente de diretividade de um espelho parabólico, usamos a fórmula:
Aumentar a frequência em 2 vezes aumenta o alcance em 2 vezes ou permite usar uma antena com um diâmetro de abertura menor que 2 vezes em um lado ou reduzir o diâmetro da antena em SQRT (2) ~ 1,4 vezes em cada lado.
Os requisitos para a precisão da orientação do feixe (alinhamento da antena por assinante) também aumentam na proporção do quadrado da frequência.
Neste artigo, NÃO consideramos outras questões em geral, como reflexão, difração, refração, absorção de gases, obstáculos, atmosfera, ionosfera, ruído e ambiente sonoro.
Conclusões
Aumentar a frequência das comunicações por rádio pode oferecer vantagens e desvantagens, dependendo do cenário da aplicação (especificações técnicas).
Em condições de comunicação móvel sem sintonia, as baixas frequências são mais lucrativas, porque a abertura da antena omnidirecional é proporcional ao quadrado do comprimento de onda. Um aumento de duas vezes no comprimento de onda aumenta a abertura da antena em 4 vezes. Isso permite aumentar o alcance em 2 vezes (sob condições de visibilidade e limitar o alcance da comunicação de acordo com o orçamento de energia) ou reduzir a potência do transmissor em 4 vezes, sendo todas as outras coisas iguais.
Por esse motivo, mochilas militares, rádios para automóveis e tanques continuam a ser projetados na parte inferior da faixa VHF - de 27 a 50 MHz, enquanto as comunicações civis e comerciais dominam incansavelmente as frequências cada vez mais altas.
O dipolo de meia onda (ou um pino de quarto de onda com um contrapeso) em frequências maiores é maior, o que é, por um lado, uma desvantagem. Por outro lado, é essa lacuna que nos permite coletar mais energia do espaço.
Nas linhas ponto a ponto, as baixas frequências também são mais benéficas em todos os casos, exceto no uso de antenas parabólicas com uma abertura fixa. Para antenas com a mesma diretividade, a abertura diminui proporcionalmente ao quadrado do aumento da frequência. Com um aumento de 2 vezes na frequência, o tamanho de uma antena do mesmo tipo diminui 2 vezes (em cada medição, ou seja, o volume diminui 8 vezes), mas o retorno é uma diminuição de 4 vezes na abertura dessa antena.
Porém, em linhas ponto a ponto com antenas parabólicas, ao contrário, a mudança para frequências mais altas permite que os mesmos diâmetros de espelho melhorem o orçamento de energia em 4 vezes, com um aumento de frequência de 2 vezes. Um aumento de 2 vezes na frequência permite:
- ceteris paribus aumenta em 2 vezes o alcance das condições de visibilidade
- na mesma faixa, reduza a potência da radiação em 4 vezes
- ceteris paribus aumenta a velocidade da linha 4 vezes
O retorno desse aumento é o aumento dos requisitos para a fabricação de precisão, tanto a própria antena quanto o mecanismo de orientação (ajuste) do assinante.