чем выше частота тем лучше радиоволны проникают в препятствия

Влияние частоты сигнала на энергетику радиолинков в свободном пространстве

Что меняется при изменении применяемого диапазона частот в радиосвязи – не всегда корректно могут сформулировать даже опытные радиолюбители. С одной стороны формула передачи Фрииса крайне проста, и обсуждать, казалось бы, нечего. С другой стороны, в этой формуле кроме явного упоминания длины волны λ, она неявно скрыта в других коэффициентах. Есть много утверждений, заметок и статей, что с более высокими частотами энергетика радиолинков хуже, не меньше есть и статей «разоблачений мифа» — мол ничем высокие частоты не хуже, учите матчасть.

Оба утверждения верны, причем верно и третье – с повышением частоты энергетика линка может значительно улучшаться. Всё зависит от сценария применения (накладываемых ограничений).

Любая передача информации, не только с помощью радиоволн, а и любых других волн (звуковых, ЭМ волн более высоких частот – т.е. света, гравитационных волн) может происходить в 3 сценариях:

В первом случае ни одна из сторон не знает местоположение в пространстве второй стороны, или не имеет средств наведения своих антенн на корреспондента.

К такому сценарию относятся практически все виды раций (военные, гражданские, авиационные), бытовые устройства (WiFi, Bluetooth, радиотелефоны, IoT, беспроводные сенсоры, телематика, брелки-отмычки), связь между спускаемым зондом и его космической станцией. Антенны обоих подвижных корреспондентов должны быть всенаправленными (изотропными) или близкими к ним.

Во втором случае, если одна из сторон стационарная и вероятное местоположение подвижного корреспондента ограничено некоторым сектором пространства – на стационарной стороне возможно применение направленной антенны, которая концентрирует энергию в избранном направлении, формируя луч (beam). Абонент подвижен, ни своего местоположения, ни положение базовой станции он не знает (или не имеет средств наведения антенн).

К такому сценарию относятся все виды обслуживания, когда стационарная базовая станция обслуживает подвижных абонентов (сотовая связь, репитеры для военных или гражданских раций, телерадиовещание на подвижных абонентов, спутниковая связь с подвижными абонентами, наземные станции космической связи обслуживающие высокоподвижные космические зонды). Антенна базовой станции имеет умеренную направленность и формирует луч для обслуживания желаемой зоны пространства. В идеале в любой точке зоны обслуживания на одинаковом расстоянии R от базы будет одинаковая плотность потока энергии Вт/м2. Антенна подвижного корреспондента должна быть всенаправленная (изотропная).

В третьем случае, если обе стороны знают о расположении другой стороны и имеют возможность направить туда свои антенны – можно существенно сэкономить энергию или увеличить скорость связи при тех же затратах энергии, за счет концентрации луча в пространстве.

К такому сценарию относятся все стационарные линии точка-точка: радиорелейные, WiFi точка-точка, радиолюбительская связь между 2 абонентами использующими направленные антенны; малоподвижные абоненты с возможностью точного позиционирования антенн на корреспондента (наземная станция космической связи и космическая станция с сервоприводами направленных антенн или двигателями позиционирования всей станции с жестко прикрепленной направленной антенной; перспективные модемы 5G mmWave или StarLink Илона Маска с автоматической настройкой луча активной фазированной решеткой АФАР; перспективные massive-MIMO модемы и базовые станции 4G/5G использующие большое количество антенн как АФАР)

Вернемся к формулам Фрииса

Здесь r (receiver) и t (transmitter) относятся к приемной и передающей антеннам, Pr/Pt – соотношение мощности на клеммах приемной антенны к мощности на передающей (больше – лучше), d – расстояние в тех же единицах измерения что и λ (например, в метрах)

Апертура антенны A (то же что «Эффективная/действующая площадь») связана с диаграммой направленности (ДН) антенны и её КНД (D = Directivity):

Для антенны в режиме приема эффективная площадь антенны (используется также термин эффективная поверхность антенны) характеризует способность антенны собирать (перехватывать) падающий на неё поток мощности электромагнитного излучения и преобразовывать этот поток мощности в мощность на нагрузке.

Независимо от типа и конструкции антенны, её апертура A и направленность D связаны математически через длину волны.

У всенаправленной (изотропной) антенны D=1 (0 dBi). Идеального изотропного излучателя на практике не существует, наиболее близким аналогом является обычный полуволновый диполь, у которого D

Сравним апертуру полуволнового диполя (или его аналога – четвертьволновый штырь с противовесом), у которого КНД = 2.15 dBi

Передающая антенна во всех диапазонах формирует одинаковую, близкую к сферической, диаграмму излучения. Плотность потока мощности Вт/м 2 от всех источников на одинаковом расстоянии R будет одинаковая.

Но поскольку апертура приемной (тоже всенаправленной) антенны отличается на порядки, то и количество собранной энергии из той же плотности потока будет сильно отличаться.

В открытом пространстве (пока дальность не ограничена видимостью), увеличение частоты в 2 раза увеличивает требования к мощности передатчика в 4 раза. При одинаковой мощности передатчика, увеличение частоты в 2 раза снижает дальность тоже в 2 раза.

Именно этот эффект является доминирующим для объяснения, почему:

В сценарии №2, если на одной стороне разрешено использовать малонаправленную (секторную) антенну ситуация точно такая же как и в сценарии №1, только мощность передатчика может быть уменьшена на усиление антенны базовой станции. Поскольку требуемый сектор обслуживания не зависит от частоты, то направленность антенны БС нужна одинаковая (апертура антенны БС при этом конечно будет разной на разных диапазонах). При направленности БС 12 dBi (на 10 dB или в 10 раз больше чем у диполя 2 dBi) – выигрыш в мощности составит 10 dB (10 раз), дальность связи на мобильного абонента может быть такая же, как в предыдущей таблице, но уже при TX=0.1W. Для 5400 МГц она опять составит 25.7 км, а для 27 МГц – 5142 км.

В сценарии №3 возможны очень различные комбинации решений.

Если отброс ить конструктивные ограничения и сложности, то при равной площади (апертуре) обоих антенн направленность обоих антенн D_r и D_t пропорциональна квадрату частоты. Поэтому эффективность приемной антенны останется неизменной (из одного и того же потока плотности Вт/м 2 будет извлечена одинаковая мощность на клеммах, независимо от частоты), а направленность передающей антенны увеличится пропорционально квадрату частоты. При увеличении частоты в 2 раза, луч станет тоньше в 4 раза, плотность потока Вт/м 2 в направлении на абонента увеличится в 4 раза.

При равных ограничениях на габариты/вес антенн, более высокие частоты более выгодны энергетически.

На практике же реализовать такое фундаментальное преимущество не так просто.

К антеннам с фиксированной частотно-независимой апертурой относятся только зеркальные параболические антенны. Количество энергии, которое собирает такое зеркало, не зависит от частоты, а луч диаграммы направленности становится более тонким с ростом частоты.
Но сложность в производстве параболической антенны заданного диаметра зависит не только от диаметра. Чем более высокая частота, тем более высокие требования к точности поверхности зеркала и более высокие требования к точности позиционирования и вообще жесткости всей конструкции.

С другими, незеркальными антеннами, ситуация намного сложнее. Все конструкции таких антенн могут быть описаны в частотно-независимых размерах (в лямбдах) и имеют фиксированную диаграмму направленности, присущую этому типу антенн, которая не зависит от выбранной частоты проектирования. Иными словами, например 7-элементная антенна волновой канал (Уда-Яги) будет иметь одинаковую диаграмму направленности и усиление

10 dBi независимо на какую частоту её рассчитать: на 30 МГц или на 3000 МГц. Во втором случае её апертура будет в 10 000 раз меньше. Просто так, взять и увеличить размеры какого-то типа антенн чтобы увеличить апертуру – нельзя. Добавление каких-либо пассивных (паразитных) структур добавляет направленности очень незначительно (по сравнению с ростом габаритов) и лишь до небольших значений порядка 16 dBi (40 раз).

Дальнейшее повышение апертуры, которое соответствует направленности более 16 dBi на практике возможно только соединением многих антенн в ФАР (фазированную антенную решетку). Теоретически удвоение количества элементов в решетке может увеличивать апертуру в 2 раза, т.е. формировать в 2 раза более тонкий луч с усилением +3 dB. Но практически построение таких ФАР сопряжено с большими трудностями: сигнал от единого источника надо согласованными (по волновому сопротивлению) волноводами синфазно доставить к каждому из N элементов решетки.

Для небольшого количества элементов, например 2х2, 2х4, 3х3 такая задача решаема, а для бОльшего количества элементов она настолько сложна, что всегда проигрывает зеркальным параболическим антеннам, с помощью которых легко создается направленность 20-40 dBi, а в больших проектах (как наземные станции дальней космической связи) достигает 70 dBi (усиление параболической антенны диаметром 70 метров на частоте 5885 МГц).

Для расчета КНД параболического зеркала воспользуемся формулой:

Увеличение частоты в 2 раза увеличивает дальность в 2 раза или позволяет применить на одной из сторон антенну с диаметром апертуры меньше в 2 раза, или с каждой стороны уменьшить диаметр антенны в SQRT(2)

Требования к точности наведения луча (юстировки антенны на абонента) тоже растут пропорционально квадрату частоты.

В этой статье мы НЕ рассматриваем вообще другие вопросы, такие как отражение, дифракция, рефракция, поглощение в газах, препятствиях, атмосфере, ионосфере, шумовая и помеховая обстановка

Выводы

Повышение частоты радиосвязи может давать как преимущества так и недостатки в зависимости от сценария применения (техзадания).

В условиях подвижной безподстроечной связи низкие частоты более выгодны, т.к. апертура всенаправленной антенны пропорциональна квадрату длины волны. Увеличение длины волны в 2 раза увеличивает апертуру антенны в 4 раза. Это дает возможность или увеличить дальность в 2 раза (в условиях видимости и ограничения дальности связи по энергетическому бюджету) или снизить мощность передатчика в 4 раза при прочих равных.

По этой причине военные ранцевые, автомобильные и танковые рации продолжают проектироваться на самый низ диапазона УКВ – от 27 до 50 МГц, в то время как гражданская и коммерческая связь неумолимо осваивает всё более высокие частоты.

Полуволновый диполь (или четвертьволновый штырь с противовесом) на низких частотах более крупные, что является с одной стороны недостатком. С другой стороны именно этот недостаток и позволяет собирать из пространства больше энергии.

В условиях линий точка-точка низкие частоты тоже более выгодны во всех случаях, кроме применения параболических антенн с фиксированной апертурой. Для антенн с одинаковой направленностью апертура убывает пропорционально квадрату роста частоты. При росте частоты в 2 раза, размеры антенны того же типа уменьшаются в 2 раза (в каждом измерении, т.е. объем уменьшается в 8 раз), но расплатой за этой является снижение в 4 раза апертуры такой антенны.

А вот в линиях «точка-точка» с параболическими антеннами – наоборот переход на более высокие частоты позволяет при тех же диаметрах зеркала улучшать энергетический бюджет в 4 раза при росте частоты в 2 раза. Повышение частоты в 2 раза позволяет:

Расплатой за такое повышение являются повышенные требования к прецизионности изготовления, как самой антенны, так и механизма наведения (юстировки) на абонента.

Источник

Распространение радиоволн в среде и передача данных

Радиоволна – это взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей, которые способны распространяться в пространстве со скоростью света. Они обладают такими свойствами как отражение, затухание, преломление. Радиодиапазон составляют волны с длинами от 0,1 мм до 100 км. Волны короче 0,1 мм относят к оптическим, длиннее 100 км используют исключительно в научных целях.

Радиоволна и ее особенности

Радиоволна создается при изменении электрического либо магнитного поля. Для ее создания используются специальные электромагнитные генераторы. Каждая волна изначально обладает запасом энергии, которую переносит через пространство. Она может терять энергию – такой процесс называется затуханием.

Электромагнитные волны характеризуются следующими параметрами:

В зависимости от скорости изменения направления электрического (либо магнитного) поля можно определить частоту волны, которая измеряется в Герцах (Гц). Чтобы определить длину волны, необходимо знать расстояние между точками, где поле находится в одной фазе. Частота и длина волны – взаимно обратные величины. Знание длины волны очень важно для правильного выбора размера передающей антенны.

Важным свойством электромагнитных волн является то, что они не встречая сопротивления проходят через воздух и могут свободно распространяться в пространстве. Однако, если волна встречает на пути металлические объекты, а также любой другой проводящий электричество материал, то она теряет часть своей энергии, ее мощность падает, а в проводнике генерирует переменный ток. Также часть энергии волны отражается от проводника – данный принцип лег в основу радиолокации.

Дальность связи зависит от мощности передатчика генерирующего электромагнитную волну. Именно это устройство передает волне запас энергии, которую та будет расходовать при распространении. Запас будет уменьшаться при контакте с поверхностью планеты, а также при взаимодействии с различными объектами. Однако, дальность распространения будет зависеть не только от запаса энергии, но и от других свойств – в первую очередь, от длины волны.

Распространение радиоволн, расстояние и длина волны

Радиоволны распространяются в пространстве различным образом. Способ их движения в первую очередь зависит от их длины. Так, например, волны от 10 км и выше (сверхдлинные – СДВ) без труда огибают наземные препятствия как искусственного, так и естественного происхождения. Они теряют мало энергии в процессе своего распространения и затухают гораздо медленнее, чем волны других длин. По этой причине они могут перемещаться в пространстве на тысячи километров. Также они обладают высокой степенью проникновения в среду, поэтому их широко используют для исследований земной коры для нужд археологии, геологии, инженерного дела. Их применяют для исследования атмосферы планеты. Также с их помощью осуществляют связь с подводными объектами.

Километровые волны также называют «длинные» (ДВ), они составляют 1-10 км и тратят больше энергии при распространении, способны покрывать расстояния до 2000 км. Близкий к ним тип – средние (СВ) от 100 м до 1 км. Они сильнее поглощаются земной поверхностью, поэтому имеют еще меньший диапазон распространения – порядка 1000 км.

Короткие волны (КВ – 10-100 м) распространяются не далее чем на 250 км, однако обладают интересным свойством. Часть их, уходящая под большим углом к горизонту, соприкасаясь с верхними слоями атмосферы (ионосферой) отражается и направляется обратно к поверхности. Затем они снова отражаются, теперь уже от земли и снова направляются вверх. Распространяясь таким образом короткие волны могут несколько раз обойти вокруг планеты. Ионосфера теряет свою отражательную способность в ночное время, поэтому связь на коротких волнах в это время суток будет хуже.

Длина ультракоротких волн (УКВ) составляет от 1 см до 10 м, к ним относятся метровые (МВ), дециметровые (ДМВ), сантиметровые (СМВ). Они успешно преодолевают ионосферу не отражаясь от нее. Они уходят выше и применяются для исследования свойств облаков, наблюдения за птицами, определения координат самолетов. Но так как отсутствует эффект отражения, они не могут огибать планету и радиосвязь с их помощью ограничена расстоянием в 200-300 км. С помощью специальных антенн УКВ собирают в «пучок», усиливают и отправляют в указанном направлении, что широко используется при обеспечении спутниковой связи, а также в радиолокации.

Миллиметровые волны (ММВ) во многом схожи с УКВ, однако для них серьезной помехой служат атмосферные явления, такие как дождь, снег, туман, облака. За счет ММВ обеспечивается работа высокоскоростной радиорелейной связи. Они нашли свое применение в быту, их используют в медицине, они пригодились в радиоастрономии.

Оборудование применяемое для передачи радиоволн, способы увеличения дальности

Радиосвязь – быстрый и относительно надежный способ передачи данных на большие расстояния. При этом нет необходимости в использовании физического носителя, например проводов.

Свойства волн разной длины напрямую влияют на их применение для обеспечения радиосвязи. Кроме того, на качество передачи информации с их помощью влияют следующие факторы:

Процесс приема-передачи информации с помощью радиоволн состоит из следующих основных этапов:

Чтобы реализовать обмен информации необходимо чтобы у принимающей и передающей стороны в наличии было следующее оборудование:

Две простейшие радиостанции, как правило, могут обмениваться информацией на очень небольших расстояниях. Чтобы значительно увеличить зону покрытия, необходимо использовать один из следующих методов:

Применяется несколько способов радиосвязи, для каждого из которых используется специфическое оборудование. Три наиболее распространенных вида:

Сотовая связь

При ее использовании сигнал идет от передатчика к приемникам, расположенным на одинаковом расстоянии друг от друга. Они образуют гексагональную фигуру, которую называют «сота». Такое построение сети позволяет обеспечить в области покрытия высокое качество сигнала, которое будет определяться количеством приемников расположенных рядом с местом приема или передачи. В настоящее время этот вид связи является наиболее популярным и чаще всего используемым. Роль приемника и передатчика здесь играет персональный телефонный аппарат. Основное преимущество сотовой связи – обеспечение высокой мобильности абонента.

Радиорелейная связь

Вид радиосвязи, осуществляемой с помощью цепочки передающих станций, находящихся в прямой видимости их антенн. Работают в дециметровом и сантиметровом диапазонах. Возможна одновременное функционирование большого количества передатчиков. Уровень индустриальных и атмосферных помех радиоприему в ДМ и СМ диапазонах низкий. Главный недостаток – ограниченное расстояние передачи и высокая степень зависимости от коммуникационной инфраструктуры – сети ретрансляторов.

Как правило на передающих станциях размещается большой комплекс передающих устройств, находящихся в едином техническом здании. Они применяют общие источники электроэнергии, антенны и их опоры. На каждом объекте создается несколько стволов связи, что позволяет значительно повысить пропускную способность станции, что позволяет реализовать многоканальную связь.

Спутниковая связь

Данный вид – это следующий этап развития радиорелейной связи. Вместо наземной коммуникационной сети используются спутники, расположенные на околоземных орбитах. Радиосигнал сигнал передается со специализированной станции, находящейся на поверхности планеты на космический аппарат. Здесь он обрабатывается, усиливается и отправляется либо на принимающую наземную станцию, либо на другой спутник, находящийся в радиусе действия. Главным достоинством данного вида связи является возможность передавать информацию в любую точку планеты – независимо от ее местоположения: на суше, в полярных льдах, посреди океана.

Сферы применения

Возможность практически мгновенной передачи информации на любые расстояния создает широкие возможности использования во всех сферах деятельности человека. Радиосвязь успешно применяется в следующих отраслях:

Также широкие возможности коммуникации являются неотъемлемым инструментом практически любого современного бизнеса. При помощи беспроводной связи можно успешно решать вопросы управления удаленными объектами.

Алгоритмы кодирования и декодирования, методики защиты информации

При передаче сообщений посредством радиоволн, необходимо преобразование обычной звуковой информации. Изначальный сигнал подвергается нескольким последовательным трансформациям, в том числе кодируется. Затем передается. А на принимающем устройстве осуществляется его декодирование и преобразование в аналоговую форму.

Кодирование сигнала при радиопередаче используется для нескольких целей. Одна из них – повышение помехоустойчивости. Это необходимо, так как на радиосигнал во время его перемещения воздействуют различные физические явления. Они могут изменять данные, вносить в них ошибки. Поэтому к каждому сообщению добавляют определенное количество битов, между значениями которых имеется заданная алгебраическая взаимосвязь. Анализ этих данных с помощью встроенного декодера дает возможность системе обнаружить и исправить ошибки, возникшие при передаче радиосигнала.

У силовых ведомств, частных служб охраны и безопасности, а также других организаций возникает необходимость защитить данные от несанкционированного доступа. Применяется два основных метода: дискретизация с шифрованием, а также аналоговое скремблирование.

Дискретизация с шифрованием объединяет наиболее прогрессивные методы закрытия речи связанные с переводом сигнала в цифровой вид. Используются различные криптографические алгоритмы. Чаще всего применяются вокодеры с линейным предсказанием речи (ЛПР). Кусочно линейная аппроксимация процесса является основой используемого алгоритма. Каждый кодируемый фрагмент представляет собой линейную функцию от фрагментов предыдущих. Речевая информация задается тремя параметрами: периодом основного тона, амплитудой, решением «тон/шум».

В целом же существует два основных подхода к шифрованию речи, передаваемой в цифровом виде:

В средствах аналогово связи защита данных достигается за счет использования аналоговых скремблеров. Они трансформируют первоначальный звуковой сигнал в неразборчивую смесь звуков, что не позволяет злоумышленникам понять смысл передаваемых данных. Применяются следующие виды преобразования:

Одним из критериев оценки эффективности работы скремблера является остаточная разборчивость – это параметр характеризует возможность дешифрации данных техническими средствами и оценивается в процентах восстановленной информации. При простых и недорогих методах защиты может составлять от 10 до 50%. Другой критерий – качество сигнала восстановленного в принимающем устройстве. Достаточным качеством является сигнал, который позволяет без труда выделить голос и понять смысл сообщения.

Частоты и каналы

Классификация радиоволн подразумевает разделение на 8 типов по длине и частоте:

Для переговоров в РФ разрешены следующие диапазоны частот:

Остальные диапазоны законодательно запрещены к использованию. Они выделяются для служебных нужд различных ведомств и их использование может повлечь за собой административное или уголовное наказание – в зависимости от тяжести последствий несанкционированного вмешательства.

Для удобства общения, чтобы максимально упростить использование радиосвязи, были выделены определенные частоты. Они были пронумерованы так, что их стало не сложно запомнить и настроить. Эти номера и называют – каналы радиосвязи. Во многих простейших моделях раций нет ни клавиатуры, ни ручек настройки для установки произвольной частоты – только кнопки позволяющие переключать каналы. Таким образом рацией может пользоваться любой человек и ему не нужно знать что такое частоты, LPD или PMR, достаточно перещелкнуть рацию на заданный канал и успешно ею пользоваться.

Субтоны являются дополнительным средством, позволяющим разделить разговоры различных абонентов в рамках одного канала. Настройка данного параметра позволит аппарату отфильтровывать сообщения и выдавать в эфир только те, которые совпадают с заданным субтоном. Существует два вида таких сигналов: QT/DQT и CTCSS.

Связь с помощью радиоволн – один из основных способов обмена информацией в современном мире. Существует большое разнообразие различных методов их применения. Они широко используются для радио и телевещания, для исследования, обеспечения дальней связи, повседневной коммуникации, а также для организации деятельности различных специальных служб: охранных подразделений, полиции, пожарных, медицинской службы. Все типы радиоволн находят себе применение в деятельности человека.

Источник