Потеря пути в свободном пространстве: детали и калькулятор

Простейшим сценарием распространения радиосигнала является модель распространения в свободном пространстве, когда сигнал распространяется в свободном пространстве.

То, как распространяется сигнал, и возникающие потери на пути обеспечивают основу для более сложных моделей распространения.

Хотя в большинстве случаев модель распространения в свободном пространстве детализирует способ распространения радиосигнала в свободном пространстве, когда он не находится под влиянием многих других внешних элементов, влияющих на распространение.

Основы распространения в свободном пространстве

Модель распространения в свободном пространстве является простейшим сценарием распространения радиосигналов. Здесь считается, что они движутся наружу от точки, где они излучаются антенной.

То, как они распространяются, можно сравнить с рябью волн на пруду, которые расходятся от точки, где в пруд брошен камень.

По мере того, как волны движутся наружу, их уровень уменьшается, пока они, наконец, не исчезают из виду.

В случае распространения радиосигнала волны распространяются в трех измерениях, а не в двух измерениях, как в примере с прудом.

Уровень сигнала распространения в свободном пространстве

Можно показать, что уровень сигнала падает по мере его удаления от точки, где он был излучен.

Скорость, с которой он падает, обратно пропорциональна квадрату расстояния.

В качестве простого примера это означает, что уровень сигнала передачи будет составлять четверть мощности на расстоянии 2 метра от уровня сигнала на расстоянии 1 метра.

Если радиосигнал находится под влиянием других факторов, базовая формула может быть изменена с учетом этого.

Показатель степени изменен для более точного представления сценария реальной жизни. В таких средах, как внутренние помещения зданий, таких как здания, стадионы и другие внутренние помещения, показатель степени потерь на трассе может достигать значений в диапазоне от 4 до 6. Многие операторы мобильной связи основывают свои расчеты на ослаблении наземного сигнала в пределах, обратно пропорциональных расстоянию. в степени 4. Однако туннели могут действовать как форма волновода, и они могут приводить к значениям показателя степени потерь на пути менее 2.

Расчет потерь на пути в свободном пространстве

Можно рассчитать потери на пути между передатчиком и приемником. Потери на пути распространения пропорциональны квадрату расстояния между передатчиком и приемником, как показано выше, а также квадрату используемой частоты.

Потери на трассе в свободном пространстве могут быть выражены либо через длину волны, либо через частоту. Оба уравнения приведены ниже:

С точки зрения длины волны

По частоте

Зависимость формулы потери свободного пространства от частоты

Уравнения потерь в свободном пространстве, приведенные выше, по-видимому, указывают на то, что потери зависят от частоты или длины волны. В действительности затухание в результате пройденного в пространстве расстояния не зависит от частоты или длины волны и является постоянным.

Глядя на уравнения потерь на пути в свободном пространстве, можно увидеть, что результат зависит от двух эффектов:

• Первый возникает в результате распространения энергии по мере того, как сфера, по которой распространяется энергия, увеличивается в площади. Это описывается законом обратных квадратов.
• Второй эффект возникает из-за изменения апертуры антенны, и это зависит от физического размера и используемой длины волны. Это влияет на то, как любая антенна может принимать сигналы, и приводит к тому, что этот элемент зависит от частоты.

Несмотря на то, что один элемент уравнения для потерь на пути распространения в свободном пространстве не зависит от частоты, другой зависит, и это приводит к тому, что общее уравнение имеет зависимость от длины волны или частоты.

Уравнение потерь на пути в свободном пространстве в децибелах

Обычно более удобно иметь возможность выражать потери на трассе в терминах прямых потерь в децибелах. Таким образом можно вычислить элементы, включая ожидаемый сигнал и т. д.

В приведенном ниже уравнении показаны потери на пути распространения для приложения распространения в свободном пространстве. Его также можно использовать при расчете или оценке других путей.

Стоит отметить, что приведенное выше уравнение не включает усиление антенны и потери в фидере. Это для двух изотропных антенн, т.е. таких, которые излучают одинаково во всех направлениях.

В уравнение можно добавить усиление антенны

Калькулятор потерь на пути в свободном пространстве

Ниже приведен простой калькулятор потерь на пути в свободном пространстве. Чтобы использовать калькулятор потерь на пути в свободном пространстве, введите нужные цифры и нажмите «Рассчитать», чтобы получить ответ.

В «Стандартных определениях терминов для антенн» IEEE, IEEE 145-1983, говорится, что потери на пути распространения в свободном пространстве возникают между двумя изотропными излучателями. Приведенный ниже калькулятор представляет собой калькулятор потерь на трассе, поскольку он включает коэффициенты усиления антенны. Чтобы сделать его калькулятором потерь на трассе в свободном пространстве, коэффициенты усиления антенны, равные 0, должны быть введены в оба поля усиления.

При использовании калькулятора потерь на трассе следует помнить, что расчеты были масштабированы для принятия расстояний в километрах и частот в мегагерцах. Все коэффициенты усиления антенны выражены в децибелах относительно изотропного излучателя, а не диполя, коэффициент усиления которого составляет 2,1 дБ относительно изотропного источника.

Следует также помнить, что, хотя калькулятор предназначен для расчета потерь на пути распространения и не является, строго говоря, калькулятором потерь на пути распространения в свободном пространстве, при расчете предполагается, что между ними есть свободное пространство, и никакие другие эффекты не влияют на сигнал, кроме уменьшения из-за расстояния сигнала и усиление антенны. При расчете потерь на трассе в свободном пространстве не учитываются коэффициенты усиления антенны, а учитываются только сами потери на трассе.

Плохо ли использовать высокие частоты

Из уравнения и расчетов потерь на трассе в свободном пространстве может показаться, что использование более высоких частот по своей сути является плохим решением. Возникает вопрос, есть ли преимущество в использовании более низких частот.

Это интересный вопрос, и хотя математика, казалось бы, предполагает, что это так, необходимо более внимательно посмотреть на то, что происходит с сигналами.

Частотный член в уравнении является результатом предположения о наличии антенн с единичным усилением на обоих концах линии связи. Для получения того же усиления на более низкой частоте требуется антенна большего размера, и в результате антенны на более низких частотах будут намного больше.

Антенна большего размера будет собирать энергию с большей площади, и поэтому потери между концами линии связи будут меньше, даже если фактические потери передаваемого сигнала одинаковы.

Обычно с микроволновыми и другими очень высокочастотными линиями радиосвязи происходит то, что антенны для этих более высоких частот могут иметь более высокий коэффициент усиления в пределах приемлемого пространства, и, следовательно, кажущиеся более высокие потери на более высоких частотах не являются проблемой, которая могла бы быть проблемой. мысль.

Расчеты потерь на пути распространения в свободном пространстве являются важным элементом любой линии радиосвязи или любых расчетов уровня сигнала для радиосистемы. Расчеты выполнить несложно, но нужно помнить, что мест, где получается путь в свободном пространстве, очень мало. Только в открытом космосе эти расчеты станут точными.

Даже верхние слои атмосферы будут влиять на радиосигнал. Тем не менее расчеты потерь на пути распространения в свободном пространстве могут стать основой для многих расчетов, которые затем корректируются с учетом реальных аспектов линии радиосвязи.