Wéi vergréissert een d'Kommunikatiounsberäich mat engem onbemannte Loftfaart (UAV)

D'Aufgab fir d'Erweiderung vun der Kommunikatiounsreechwäit mat engem onbemannte Loftfaart (UAV) bleift relevant. Dësen Artikel diskutéiert Methoden fir dëse Parameter ze verbesseren. Den Artikel gouf fir UAV Entwéckler a Betreiber geschriwwen an ass eng Fortsetzung vun enger Serie vun Artikelen iwwer Kommunikatioun mat UAVs (fir den Ufank vun der Serie, kuckt [1].

Wat beaflosst d'Kommunikatiounsberäich

D'Kommunikatiounsberäich hänkt vum benotzte Modem ab, Antennen, Antennekabel, Radiowellenverbreedungsbedéngungen, extern Interferenz an e puer aner Grënn. Fir den Aflossgrad vun engem bestëmmte Parameter op d'Kommunikatiounsberäich ze bestëmmen, betruecht d'Gammegleichung [2]
(1)

wou
- erfuerderlech Kommunikatiounsberäich [Meter];
- Liichtgeschwindegkeet am Vakuum [m/s];
- Frequenz [Hz];
- Modem Sender Muecht [dBm];
- Sender Antenne Gewënn [dBi];
- Verloschter am Kabel vum Modem op d'Senderantenne [dB];
- Empfänger Antenne Gewënn [dBi];
- Verloschter am Kabel vum Modem op d'Empfängerantenne [dB];
- Empfindlechkeet vum Modem Empfänger [dBm];
- Attenuatiounsmultiplikator, andeems zousätzlech Verloschter berücksichtegt ginn duerch den Afloss vun der Äerduewerfläch, Vegetatioun, Atmosphär an aner Faktoren [dB].

Vun der Equatioun kann et gesi ginn datt de Beräich bestëmmt gëtt duerch:

• de Modem benotzt;
• Frequenz vum Radiokanal;
• benotzt Antennen;
• Verloschter an Kabelen;
• Afloss op d'Verbreedung vu Radiowellen vun der Äerduewerfläch, Vegetatioun, Atmosphär, Gebaier, asw.

Als nächst ginn d'Parameteren, déi d'Gamme beaflossen, getrennt berücksichtegt.

Modem benotzt

D'Kommunikatiounsberäich hänkt nëmmen vun zwee Parameter vum Modem of: Senderkraaft an Empfänger Empfindlechkeet , oder éischter, vun hirem Ënnerscheed - den Energiebudget vum Modem
(2)

Fir d'Kommunikatiounsberäich ze vergréisseren, ass et néideg e Modem mat engem grousse Wäert ze wielen . Erhéijung am Tour, et méiglech duerch Erhéijung oder duerch Reduktioun . Präferenz sollt op d'Sich no Modem mat héijer Empfindlechkeet ginn ( sou niddereg wéi méiglech), anstatt d'Senderkraaft ze erhéijen . Dëst Thema gëtt am Detail am éischten Artikel diskutéiert. [1].

Zousätzlech zu Material [1] Et ass derwäert ze behalen datt e puer Hiersteller, wéi Microhard [3], uginn an de Spezifikatioune vun e puer Apparater net den Duerchschnëtt, mä d'Spëtztkraaft vum Sender, deen e puer Mol méi grouss ass wéi d'Moyenne an déi net benotzt ka ginn fir d'Bereechnung ze berechnen, well dëst féiert zu der berechent Gamme vill méi wéi déi richteg Wäert. Esou Apparater enthalen zum Beispill de populäre pDDL2450 Modul [4,5]. Dëse Fakt ass direkt aus de Resultater vun Tester vun dësem Apparat gemaach fir FCC Zertifizéierung ze kréien [6] (kuckt Säit 58). Testresultater fir FCC-zertifizéiert drahtlose Geräter kënnen op der FCC ID Websäit gekuckt ginn [7]andeems Dir déi entspriechend FCC ID an der Sichbar aginn, déi um Label soll sinn, wat d'Art vum Apparat ugeet. D'FCC ID vum pDDL2450 Modul ass NS916pDDL2450.

Radio Kanal Frequenz

Vun der Gamme Equatioun (1) Et ass kloer datt d'Betribsfrequenz méi niddereg ass , wat d'Kommunikatiounsberäich méi grouss ass . Mee loosse mer net zu Conclusiounen presséiert. D'Tatsaach ass datt aner Parameteren, déi an der Equatioun abegraff sinn, och vun der Frequenz ofhänken. Zum Beispill, Antenne Gewënn и wäert op der Frequenz am Fall hänkt wann déi maximal Dimensioune vun der Antennen befestegt, dat ass genee wat an der Praxis geschitt. Antenne Gewënn , ausgedréckt an Dimensiounslosen Eenheeten (Zäiten), kann a punkto kierperlecht Gebitt vun der Antenne ausgedréckt ginn wéi follegt [8]
(3)

wou - Antenne Apertureffizienz, dh de Verhältnis vum effektiven Antenneberäich zum kierperlechen (ofhängeg vum Antennedesign) [8].

Vun (3) Et ass direkt kloer datt fir e fixen Antenneberäich de Gewënn am Verhältnis zum Quadrat vun der Frequenz eropgeet. Loosst eis ersetzen (3) в (1), virdrun ëmgeschriwwen (1) benotzt dimensionless Unitéiten fir Antenne Gewënn , , Kabel Verloschter , an attenuation Faktor , an och benotzt Watts fir и statt dBm. Dann
(4)

wou ass de Koeffizient ass eng Konstante fir fix Antennen Dimensiounen. Also, an dëser Situatioun ass d'Kommunikatiounsberäich direkt proportional zu der Frequenz, dh wat méi héich d'Frequenz ass, dest méi grouss ass d'Band. Konklusioun. Mat fixen Dimensioune vun den Antennen féiert d'Erhéijung vun der Frequenz vum Radiolink zu enger Erhéijung vum Kommunikatiounsberäich duerch d'Verbesserung vun der Richtungseigenschaften vun den Antennen. Et muss een awer bedenken, datt mat der Frequenz eropgeet, och d'Dämpfung vu Radiowellen an der Atmosphär, déi duerch Gasen, Reen, Hagel, Schnéi, Niwwel a Wolleken verursaacht gëtt. [2]. Desweideren, mat der Erhéijung vun der Strecklängt, hëlt och d'Dämpfung an der Atmosphär erop. Aus dësem Grond gëtt et fir all Weelängt an duerchschnëttlech Wiederkonditiounen op et e gewësse maximale Wäert vun der Trägerfrequenz, limitéiert duerch den zulässlechen Niveau vun der Signaldempung an der Atmosphär. Loosst eis d'Finale Léisung fir d'Fro vum Afloss vun der Frequenz vun engem Radiokanal op d'Kommunikatiounsberäich op d'Sektioun verloossen, wou den Afloss vun der Äerduewerfläch an der Atmosphär op d'Verbreedung vu Radiowellen berücksichtegt gëtt.

Antennen

D'Kommunikatiounsberäich gëtt vun esou engem Antenneparameter wéi de Gewënn bestëmmt (Gewënn an englesch Terminologie), gemooss an dBi. Gewënn ass e wichtege Kompositparameter well et berücksichtegt: (1) d'Fäegkeet vun der Antenne fir d'Energie vum Sender op den Empfänger ze fokusséieren am Verglach mat engem isotropesche Heizkierper (also den Index i an dBi); (2) Verloschter an der Antenne selwer [8,9]. Fir d'Kommunikatiounsberäich ze vergréisseren, sollt Dir Antennen mat dem héchste méigleche Gewënnwäert auswielen aus deenen, déi a punkto Gewiicht a Gréisst Parameteren an d'Fäegkeete vum Leedungssystem passend sinn. D'Kapazitéit vun enger Antenne fir Energie ze fokusséieren gëtt net gratis ginn, awer nëmmen duerch d'Erhéijung vun der Dimensiounen (Ouverture) vun der Antenne. Zum Beispill, wat méi grouss d'Empfangantenne ass, dest méi grouss ass d'Gebitt et fäeg ass Energie ze sammelen fir den Empfängerinput ze liwweren, a wat méi Energie, dest méi staark ass de empfaangen Signal, dh d'Kommunikatiounsberäich erhéicht. Also musst Dir fir d'éischt op déi maximal Antennedimensioune entscheeden, déi dem Problem geléist ginn adäquat sinn an d'Sichgebitt vun dësem Parameter limitéieren, an dann no engem spezifesche Antennemodell sichen, op de maximale Gewënn fokusséieren. Den zweete wichtege Antenneparameter fir d'Praxis ass d'Straalbreedung [8,10], gemooss an Wénkelgraden. Typesch ass d'Stralbreet definéiert als de Wénkel tëscht zwou raimleche Richtungen aus dem Zentrum vun der Antenne, bei deem den Antennegewënn ëm 3 dB vum Maximum fir dës Antenne reduzéiert gëtt. D'Breet vum Muster am Azimut an Héicht ka vill variéieren. Dëse Parameter ass enk verbonne mat den Dimensiounen vun der Antenne no der Regel: méi grouss Dimensiounen - méi kleng Strahlbreet. Dëse Parameter ass net direkt an der Range Equatioun abegraff, mä et ass dëse Parameter deen d'Ufuerderunge fir d'Grondstatioun (GS) Antenneleitsystem op der UAV bestëmmt, well d'GS normalerweis héichdirektional Antennen benotzt, op d'mannst an Fäll wou d'Gamme maximéiert ass Kommunikatioun mam UAV eng Prioritéit. Tatsächlech, soulaang den NS Tracking System d'Wénkelgenauegkeet garantéiert fir d'Antenne op d'UAV ze weisen gläich wéi d'Halschent vun der Breet vum Muster oder manner, wäert den Niveau vum empfangen / emittéierte Signal net ënner 3 dB vum Maximum falen. Ënner kengen Ëmstänn däerf d'Halschent vun der Strahlbreet vun der gewielter Antenne manner sinn wéi de Wénkelfehler vum NS Antenne-Peissystem am Azimut oder Héicht.

Kabelen

Fir d'Kommunikatiounsberäich maximal ze maximéieren, musst Dir Kabele mat der niddregst méiglecher linearer Dämpfung (Kabeldämpfung oder Kabelverloscht) benotzen schaffen Frequenz vun der NS-UAV Radio Link. D'linear Dämpfung an engem Kabel gëtt definéiert als de Verhältnis vum Signal um Ausgang vun engem 1 m Kabelsegment (am metresche System) zum Signal um Input vun engem Kabelsegment, ausgedréckt an dB. Kabel Verloschter an der Gamme Equatioun abegraff (1), gi bestëmmt andeems d'linear Dämpfung duerch d'Kabellängt multiplizéiert gëtt. Also, fir déi maximal méiglech Kommunikatiounsberäich ze kréien, musst Dir Kabele mat der niddregst méiglecher linearer Dämpfung benotzen an d'Längt vun dëse Kabelen minimiséieren. Op der NS mussen Modem Eenheeten direkt op de Mast nieft den Antennen installéiert ginn. Am UAV Kierper soll de Modem sou no wéi méiglech un d'Antennen sinn. Et ass och derwäert d'Impedanz vum gewielte Kabel ze kontrolléieren. Dëse Parameter gëtt an Ohm gemooss an ass normalerweis gläich wéi 50 oder 75 Ohm. D'Impedanz vum Kabel, den Antennestecker vum Modem an de Stecker op der Antenne selwer musse gläich sinn.

Impakt vun der Äerd Uewerfläch

An dëser Rubrik wäerte mir d'Verbreedung vu Radiowellen iwwer eng Einfache oder Mierfläch kucken. Dës Situatioun geschitt dacks an der Praxis fir UAVs ze benotzen. UAV Iwwerwaachung vu Pipelines, Stroumleitungen, landwirtschaftlech Ernte, vill militäresch a speziell Operatiounen - all dat ass gutt mat dësem Modell beschriwwen. Mënschlech Erfahrung molen eis e Bild an deem Kommunikatioun tëscht Objete méiglech ass, wann se am Beräich vun direkt optesch Visibilitéit vun all aner sinn, soss Kommunikatioun ass onméiglech. Radiowellen gehéieren awer net zum opteschen Beräich, sou datt d'Situatioun mat hinnen e bëssen anescht ass. An dëser Hisiicht ass et nëtzlech fir den UAV Entwéckler a Bedreiwer déi folgend zwou Fakten ze erënneren.

1. D'Kommunikatioun am Radioberäich ass méiglech och an der Verontreiung vu direkte Visibilitéit tëscht der NS an dem UAV.
2. Den Afloss vun der Basisdaten Uewerfläch op d'Kommunikatioun mam UAV gëtt gefillt och wann et keng Objeten op der NS-UAV optesch Linn sinn.

Fir d'Spezifizitéite vun der Radiowellenverbreedung no bei der Äerduewerfläch ze verstoen, ass et nëtzlech Iech mat dem Konzept vun engem bedeitende Gebitt vun der Radiowelleverbreedung vertraut ze maachen [2]. Beim Fehlen vun Objeten an enger bedeitender Zone vu Radiowellenverbreedung kënnen d'Bereechnunge mat Formelen fir fräi Plaz gemaach ginn, d.h. в (1) kann gläich geholl ginn 0. Wann et Objeten an der essentiel Zone sinn, da kann dat net gemaach ginn. An Fig. 1 um Punkt A gëtt et e Punktemitter op enger Héicht iwwer der Äerduewerfläch, déi elektromagnéitesch Energie an all Richtungen mat gläicher Intensitéit emittéiert. Um Punkt B an der Héicht et gëtt en Empfänger fir d'Feldintensitéit ze moossen. An dësem Modell ass déi wesentlech Regioun vun der Radiowellenverbreedung en Ellipsoid mat Foci op Punkten A a B.

Reis. 1. Bedeitend Gebitt vun der Radiowellenverbreedung

De Radius vum Ellipsoid a sengem "décksten" Deel gëtt vum Ausdrock bestëmmt [2]
(5)

Vun (5) dat ass kloer hänkt vun der Frequenz of ëmgedréint proportional, der manner , wat "méi déck" d'Ellipsoid ( an Fig. 1). Zousätzlech erhéicht d'"Dicke" vum Ellipsoid mat enger Erhéijung vun der Distanz tëscht Kommunikatiounsobjekter. Fir Radiowellen kann e relativ beandrockende Wäert hunn, also wann 10 km, Mir kréien 2.45 GHz 50 à 60 m.

Loosst eis elo den opaken Objet betruechten, dee vum groe Dräieck an der Fig. 1. Et wäert d'Verbreedung vu Radiowellen mat enger Frequenz beaflossen , well se an enger bedeitender Ausbreedungszone läit, a praktesch keen Effekt op d'Verbreedung vu Radiowellen mat enger Frequenz huet . Fir Radiowellen am optesche Beräich (Liicht), de Wäert ass kleng, sou datt den Afloss vun der Äerduewerfläch op d'Verbreedung vum Liicht an der Praxis net gefillt gëtt. Bedenkt datt d'Äerd Uewerfläch eng Kugel ass, ass et einfach ze verstoen, datt mat ëmmer méi Distanz , wäert déi ënnerierdesch Uewerfläch ëmmer méi an d'bedeitend Ausbreedungszone réckelen, sou datt de Stroum vun der Energie vum Punkt A op de Punkt B blockéiert - Enn vun der Geschicht, Kommunikatioun mam UAV gëtt ënnerbrach. Aner Objeten op der Streck, wéi ongläichen Terrain, Gebaier, Bëscher, etc., wäerten ähnlech Kommunikatioun Afloss.

Loosst eis elo op Fig. 2 an deem en opaken Objet komplett e bedeitende Gebitt vun der Verbreedung vun enger Radiowelle mat enger Frequenz deckt , Kommunikatioun op dëser Frequenz onméiglech mécht. Zur selwechter Zäit, Kommunikatioun iwwer d'Frequenz ass och méiglech well en Deel vun der Energie iwwer den opaken Objet "spréngt". Wat méi niddereg d'Frequenz ass, dest méi wäit iwwer den opteschen Horizont kann d'Radiowelle propagéieren, a stabil Kommunikatioun mam UAV behalen.

Reis. 2. Deckt e bedeitende Gebitt vu Radiowellenverbreedung

Den Aflossgrad vun der Äerduewerfläch op d'Kommunikatioun hänkt och vun der Héicht vun den Antennen of и . Wat méi grouss d'Héicht vun den Antennen ass, wat méi grouss ass d'Distanz, déi Punkten A a B ausernee geréckelt kënne ginn, ouni datt d'Objeten oder déi ënnerierdesch Uewerfläch an e bedeitende Gebitt falen.

Wéi den Objet oder ënnerierdesch Uewerfläch an e bedeitende Gebitt beweegt, wäert d'Feldstäerkt um Punkt B oszilléieren [2], dh et wäert entweder méi grouss oder manner wéi déi duerchschnëttlech Feldstäerkt sinn. Dëst geschitt wéinst der Reflexioun vun Energie vum Objet. Déi reflektéiert Energie kann um Punkt B mat der Haaptenergie an der Phas bäigefüügt ginn - da geschitt en Opstieg an der Feldstäerkt, oder an der Antiphase - da geschitt e Réckgang (an zimlech déif) an der Feldstäerkt. Et ass wichteg dësen Effekt ze erënneren fir d'Spezifizitéite vun der Kommunikatioun mat UAVs ze verstoen. Verlust vun der Kommunikatioun mat der UAV an engem bestëmmte Beräich kann duerch eng lokal Ofsenkung vun der Feldstäerkt wéinst Schwéngungen verursaacht ginn, dat heescht wann Dir e bësse méi Distanz flitt, kann d'Verbindung restauréiert ginn. De finalen Verloscht vun der Kommunikatioun geschitt nëmmen nodeems e bedeitende Gebitt komplett vun Objeten oder der Basisdaten Uewerfläch blockéiert ass. Als nächst wäerte Methode proposéiert ginn fir d'Konsequenze vu Feldstäerkt Schwéngungen ze bekämpfen.

Formelen fir d'Berechnung vum Dämpfungsfaktor Wann d'Radiowellen iwwer déi glat Uewerfläch vun der Äerd propagéieren, si se zimlech komplex, besonnesch fir Distanzen , Iwwerschreiden d'Gamme vum opteschen Horizont [2]. Dofir, a weiderer Iwwerleeung vum Problem, wäerte mir op mathematesch Modellerung zréckgräifen mat dem Set vu Computerprogrammer vum Auteur. Loosst eis eng typesch Aufgab betruecht fir Video vun engem UAV op eng NS mat engem 3D Link Modem ze vermëttelen [11] vun Geoscan Firma. Déi initial Donnéeën sinn wéi follegt.

1. Montéierung Héicht vun der NS Antenne: 5 m.
2. UAV Fluch Héicht: 1000 m.
3. Radio Link Frequenz: 2.45 GHz.
4. NS Antenne Gewënn: 17 DB.
5. UAV Antenne Gewënn: 3 dB.
6. Sender Muecht: +25 dBm (300 mW).
7. Video Kanal Vitesse: 4 Mbit / sec.
8. Empfängerempfindlechkeet am Videokanal: -100.4 dBm (fir d'Frequenzband besat vun engem 12 MHz Signal).
9. Substrat: dréchene Buedem.
10. Polarisatioun: vertikal.

D'Linn-of-Sight Distanz fir dës initial Donnéeë wäert 128.8 km sinn. D'Berechnungsresultater a Form vu Signalkraaft um Input vum Modemempfänger an dBm ginn an der Fig. 3.

Reis. 3. Signalstäerkt um Input vum 3D Link Modem Receiver [11]

Déi blo Curve an der Fig. 3 ass d'Signalkraaft um Input vum NS Empfänger, déi rout riicht Linn weist d'Sensibilitéit vun dësem Empfänger un. D'X-Achs weist d'Band a km, an d'Y-Achs weist d'Kraaft an dBm. Op deene Beräicher wou déi blo Curve iwwer de roude läit, ass direkt Videoempfang vum UAV méiglech, soss gëtt et keng Kommunikatioun. D'Grafik weist datt duerch Schwéngungen de Kommunikatiounsverloscht am Beräich vun 35.5-35.9 km a weider am Beräich vun 55.3-58.6 km optrieden. An dësem Fall wäert d'Finale Trennung vill méi wäit geschéien - no 110.8 Kilometer Fluch.

Wéi uewen ernimmt, entstinn Dips an der Feldstäerkt wéinst der Zousatz an der Antiphase op der Plaz vun der NS Antenne vum direkten Signal an dem Signal reflektéiert vun der Äerduewerfläch. Dir kënnt de Verloscht vun der Kommunikatioun op der NS duerch Ausfällen lass kréien andeems Dir 2 Konditiounen erfëllt.

1. Benotzt e Modem op der NS mat mindestens zwee Empfangskanäl (RX Diversitéit), zum Beispill 3D Link [11].
2. Place der empfaangen Antennen op der NS Mast op anescht Héicht.

D'Distanz vun den Héichten vun den Empfangsantennen muss sou gemaach ginn datt Dips an der Feldstäerkt op der Plaz vun enger Antenne duerch Niveauen méi héich wéi d'Sensibilitéit vum Empfänger op der Plaz vun der anerer Antenne kompenséiert ginn. An Fig. Figure 4 weist d'Resultat vun dëser Approche fir de Fall wou eng NS Antenne op enger Héicht vu 5 m läit (blo feste Curve), an déi aner op enger Héicht vu 4 m (blo Punktekurve).

Reis. 4. Signalkraaft bei den Inputen vun zwee 3D Link Modem Empfänger vun Antennen déi op verschidden Héichten lokaliséiert sinn

Aus Fig. Figur 4 weist kloer d'Fruchtbarkeet vun dëser Method. Tatsächlech, iwwer déi ganz Fluchdistanz vum UAV, bis zu enger Rei vu 110.8 km, iwwerschreift d'Signal um Input vun op d'mannst engem NS Empfänger d'Sensibilitéitsniveau, dat heescht, de Video vum Bord gëtt net iwwer déi ganz Fluchdistanz ënnerbrach .

Déi proposéiert Method hëlleft awer nëmmen d'Zouverlässegkeet vum UAV→NS Radiolink ze erhéijen, well d'Fäegkeet Antennen op verschidden Héichten z'installéieren ass nëmmen op der NS verfügbar. Et ass net méiglech eng Héichtentrennung vun den Antennen vun 1 m op engem UAV ze garantéieren. Fir d'Zouverlässegkeet vum NS→UAV Radiolink ze erhéijen, kënnen déi folgend Approche benotzt ginn.

1. Füttern den NS Sender Signal un d'Antenne, déi e méi staarken Signal vum UAV kritt.
2. Benotzt Raum-Zäit Coden, wéi den Alamouti Code [12].
3. Benotzen Antenne beamforming Technologie mat der Fähegkeet d'Signal Muecht un all Antenne geschéckt ze kontrolléieren.

Déi éischt Method ass no bei optimal am Problem vun der Kommunikatioun mat UAV. Et ass einfach an et gëtt all Senderenergie an déi richteg Richtung geleet - op eng optimal lokaliséiert Antenne. Zum Beispill, an enger Rei vu 50 km (kuckt Fig. 4), gëtt de Sendersignal op eng Antenne gefüttert, déi op 5 Meter suspendéiert ass, an op enger Reechwäit vu 60 km - op eng Antenne, déi op 4 Meter suspendéiert ass. Dëst ass d'Method déi am 3D Link Modem benotzt gëtt [11]. Déi zweet Method benotzt net a priori Daten iwwer den Zoustand vum UAV→NS Kommunikatiounskanal (Niveaue vun de empfaangen Signaler op den Antenneausgaben), sou datt se d'Senderenergie gläichméisseg tëscht zwou Antennen trennt, wat zwangsleefeg zu Energieverloschter féiert, well een vun den Antennen kënnen an engem Lach Feldstäerkt sinn. Déi drëtt Method ass gläichwäerteg mat der éischter a punkto Kommunikatiounsqualitéit, awer ass vill méi schwéier ze implementéieren.

Loosst eis weider d'Thema vum Afloss vun der Radiowellenfrequenz op d'Kommunikatiounsberäich mat der UAV berücksichtegen, ënner Beuechtung vum Afloss vun der Basisfläch. Et gouf uewen gewisen datt d'Erhéijung vun der Frequenz profitabel ass, well mat fixen Dimensiounen vun den Antennen féiert dat zu enger Erhéijung vum Kommunikatiounsberäich. Allerdéngs ass d'Fro vun Ofhängegkeet Frequenz war net considéréiert. Vun (3) et folgendermoossen, datt d'Verhältnis vun de Gewënn vun Antennen am Beräich gläich an entworf op Frequenzen ze bedreiwen и , gläich
(6)

fir 2450 MHz; Mir kréien 915 MHz 7.2 (8.5 dB). Dëst ass ongeféier wat an der Praxis geschitt. Loosst eis zum Beispill d'Parameter vun de folgenden Antennen vu Wireless Instruments vergläichen:

• WiBOX PA 0809-8V [13] (Frequenz: 0.83-0.96 GHz; beamwidth: 70 ° / 70 °; Gewënn: 8 dBi);
• WiBOX PA 24-15 [14] (Frequenz: 2.3-2.5 GHz; beamwidth: 30 ° / 30 °; Gewënn: 15 dBi).

Et ass bequem dës Antennen ze vergläichen, well se an de selwechte 27x27 cm Gehäuse gemaach ginn, dh si hunn déiselwecht Fläch. Bedenkt datt den Antennegewënn 15−8 = 7 dB ënnerscheet, wat no beim berechentem Wäert vun 8.5 dB ass. Aus de Charakteristiken vun den Antennen ass et och kloer datt d'Breet vum Antennemuster am Beräich 2.3–2.5 GHz (30°/30°) méi wéi duebel sou schmuel ass wéi d'Breet vum Antennemuster am Beräich 0.83–0.96 GHz (70 ° / 70 °), dh de Gewënn vun Antennen mat der selwechter Dimensiounen hëlt tatsächlech wéinst der Verbesserung vun directional Eegeschafte. Wann Dir d'Tatsaach berücksichtegt datt 2 Antennen an der Kommunikatiounslinn benotzt ginn, ass de Verhältnis wäert 2∙8.5 = 17 dB sinn. Also, mat der selwechter Antenne Dimensiounen, den Energiebudget vun engem Radiolink mat enger Frequenz 2450 MHz wäert 17 dB méi sinn wéi de Linnebudget mat Frequenz 915 MHz. An der Berechnung berücksichtegen mir och d'Tatsaach datt UAVs, an der Regel, Peitsche Antennen benotzen fir déi d'Dimensioune net sou kritesch sinn wéi fir déi ugesinn NS Panelantennen. Dofir akzeptéiere mir d'UAV Antenne Gewënn fir Frequenzen и gläich. Déi. den Ënnerscheed am Energiebudget vun de Linnen wäert 8.5 dB sinn, net 17 dB. D'Resultater vun der Berechnung fir dës initial Donnéeën an d'5 m Héicht vun der NS Antenne sinn a Fig. 5.

Reis. 5. Signalkraaft um Empfängerinput fir Radiolinks déi op Frequenzen 915 an 2450 MHz funktionnéieren

Aus Fig. 5 weist kloer datt d'Kommunikatiounsberäich mat enger Erhéijung vun der Operatiounsfrequenz an dem selwechte Gebitt vun der NS Antenne vun 96.3 km fir e Radiolink mat enger Frequenz vun 915 MHz op 110.8 km fir e Link mat enger Frequenz vun 2450 MHz eropgeet . Wéi och ëmmer, d'Linn op 915 MHz huet eng méi niddereg Schwéngungsfrequenz. Manner Schwéngungen bedeiten manner Dips an der Feldstäerkt, dh manner Wahrscheinlechkeet fir d'Kommunikatioun mam UAV iwwer déi ganz Fluchdistanz ze ënnerbriechen. Vläicht ass et dës Tatsaach, datt d'Popularitéit vum Sub-Gigahertz Radiowellenbereich fir Kommando- an Telemetrie-Kommunikatiounslinne mat UAVs als zouverlässegst bestëmmt. Zur selwechter Zäit, wann Dir de Set vun Aktiounen ausféiert, déi uewen beschriwwen ass, fir géint Feldstäerkt Schwéngungen ze schützen, bidden Radiolinks am Gigahertz-Bereich e gréissere Kommunikatiounsberäich duerch d'Verbesserung vun der Richtungseigenschaften vun den Antennen.

Aus Betruechtung vun Fig. 5 kënne mir och schléissen datt an der Schattenzone (no der 128.8 km Mark) d'Senkung vun der Operatiounsfrequenz vun der Kommunikatiounslinn Sënn mécht. Tatsächlech, op engem Punkt vun ongeféier -120 dBm d'Kraaftkurven fir Frequenzen и kräizen. Déi. Wann Dir Empfänger mat enger Empfindlechkeet besser wéi -120 dBm benotzt, gëtt e Radiolink mat enger Frequenz vun 915 MHz e méi laang Kommunikatiounsbereich. An dësem Fall, muss awer déi néideg Link bandwidth Rechnung gedroe ginn, zënter fir esou eng héich Empfindlechkeet Wäert, wäert d'Informatioun Vitesse ganz niddereg ginn. Zum Beispill, 3D Link Modem [11] Och wann et Empfindlechkeet bis -122 dBm ubitt, ass den aggregéierten (a béide Richtungen) Informatiounstransmissionsquote 23 kbit / sec, wat am Prinzip genuch ass fir KTRL-Kommunikatioun mat engem UAV, awer kloer net genuch fir Video iwwerdroen Verwaltungsrot. Also huet d'Sub-Gigahertz-Gamme wierklech e liichte Virdeel iwwer d'Gigahertz-Gamme fir KTRL, awer verléiert däitlech u Charakteristiken wann Dir Videolinnen organiséiert.

Wann Dir eng Radiolinkfrequenz auswielt, musst Dir och d'Dämpfung vum Signal berücksichtegen wéi et duerch d'Äerdatmosphär propagéiert. Fir NS-UAV Kommunikatiounsverbindunge gëtt Dämpfung an der Atmosphär duerch Gasen, Reen, Hagel, Schnéi, Niwwel a Wolleken verursaacht [2]. Fir Betribsfrequenze vu Radiolinks manner wéi 6 GHz, kann Dämpfung a Gase vernoléissegt ginn [2]. Déi schwéierst Schwächung gëtt a Reen beobachtet, besonnesch vu héijer Intensitéit (Schaueren). Table 1 weist d'Donnéeën [2] duerch linear Dämpfung [dB/km] bei Reen vu verschiddene Intensitéit fir Frequenzen 3-6 GHz.

Table 1. Linearer Dämpfung vu Radiowellen [dB/km] bei Reen vu verschiddenen Intensitéiten ofhängeg vun der Frequenz

Frequenz [GHz]
3 mm/Stonn (schwaach)
12 mm/h (mëttelméisseg)
30 mm/h (staark)
70 mm/h (reen)

3.00
0.3∙10-3
1.4∙10-3
3.6∙10-3
8.7∙10-3

4.00
0.3∙10-2
1.4∙10-2
3.7∙10-2
9.1∙10-2

5.00
0.8∙10-2
3.7∙10-2
10.6∙10-2
28∙10-2

6.00
1.4∙10-2
7.1∙10-2
21∙10-2
57∙10-2

Vun den Dësch 1 folgt, datt zum Beispill bei enger Frequenz vun 3 GHz d'Dämpfung an enger Dusch ongeféier 0.0087 dB/km wäert sinn, wat op engem 100 km Wee 0.87 dB Gesamtdämpfung gëtt. Wéi d'Betribsfrequenz vum Radiolink eropgeet, klëmmt d'Dämpfung am Reen staark. Fir eng Frequenz vu 4 GHz wäert d'Dämpfung an der Dusch op dee selwechte Wee scho 9.1 dB sinn, a bei Frequenzen vu 5 a 6 GHz - 28 an 57 dB respektiv. Dobäi gëtt awer ugeholl, datt iwwer de ganze Wee Reen mat enger bestëmmter Intensitéit optrieden, wat an der Praxis selten geschitt. Wéi och ëmmer, wann Dir UAVs an Gebidder benotzt, wou Reen mat héijer Intensitéit heefeg sinn, ass et recommandéiert eng Operatiounsfrequenz vum Radiolink ënner 3 GHz ze wielen.

Literatur

1. Smorodinov A.A. Wéi wielen ech e Breetbandmodem fir en onbemannt Loftfaart (UAV). Habr. 2019.
2. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Verbreedung vu Radiowellen an Operatioun vu Radiolinks. Verbindung. Moskau. 1971.
3. Mikrohard.
4. Pico Digital Data Link pDDL2450 Spezifizéierung.
5. Picoradio OEM Spezifizéierung.
6. Engineering Test Rapport. Pico 2.4GHz 1W Digital Data Link Modul.
7. FCC ID.
8. CA Balanis. Antennentheorie. Analyse an Design. Véiert Editioun. John Wiley & Sons. 2016.
9. Antenne Gewënn. Wikipedia Artikel.
10. beamwidth. Wikipedia Artikel.
11. Digital Duplex Radio Modem 3D Link.
12. SM Alamouti. "Eng einfach Transmissioun Diversitéit Technik fir drahtlose Kommunikatiounen." IEEE Journal iwwer ausgewielte Beräicher an der Kommunikatioun. 16(8):1451–1458.
13. PTP Client Antenne WiBOX PA 0809-8V.
14. PTP Client Antenne WiBOX PA 24-15.

Source: will.com