Moje otázka je, která anténa pro pozemní stanici bude tou nejlepší volbou?

Tato odpověď na tuto otázku vyžaduje, aby byla shromážděna některá data a provedeny výpočty, aby poskytnout spolehlivou odpověď. Primární vzorec je Friisova rovnice, ale rozdělím ji na jednotlivé části. Neposkytli jste dostatek údajů potřebných k výpočtu konkrétní situace, proto provedu několik příkladů.

Rozpočet odkazu

Rozpočet odkazu je stanovení maximální ztráty, kterou může signál vydržet a stále umožňuje spolehlivou komunikaci. Tyto údaje lze obvykle získat z datových listů výrobce pro přijímač a vysílač. Tyto údaje jsou obvykle vyjádřeny v jednotkách dBm (decibely ve srovnání s 1 milwatt). Předpokládejme pro toto cvičení, že přijímač má citlivost -130 dBm a vysílač vydává 10 dBm. Rozpočet odkazu je tedy:

$$ dB_ {Link} = dBm_t-dBm_r \ tag 1 $$

který v tomto případě poskytuje 140 dB. Údaje výrobce jsou často trochu optimistické, takže k tomu později zabudujeme bezpečnostní faktor.

Ztráta cesty volným prostorem

Další faktor, který přichází do hry je ztráta cesty volným prostorem (FSPL). K tomuto jevu dochází, protože se signál šíří, jak se pohybuje, čímž se snižuje ozáření pro danou clonu přijímací antény (přemýšlejte o tom, jak svítilna / pochodeň svítila na předmět, zdá se, že čím dál je objekt vzdálenější). FSPL v dB se udává jako:

$$ dB_ {FSPL} = 20 \ log \ left (\ frac {4 \ pi d} {\ lambda} \ vpravo) \ tag 2 $$

kde $ \ lambda $ je vlnová délka příslušné frekvence (300 / frekvence v MHz) ad je vzdálenost v metrech. DB je jednotka, která porovnává poměr dvou mocnin. Protože se počítá pomocí logaritmu, velmi velké nebo malé poměry jsou vyjádřeny jako „zvládnutelnější“ číslo.

Signál 868 MHz má vlnovou délku ~ 0,346 metrů. Vzdálenost je vzdálenost přímky pohledu k maximální očekávané nadmořské výšce rakety. Vezměte v úvahu, že to musí zahrnovat i posunutí rakety směrem dolů a také vzdálenost mezi přijímacím anténním zaměřovačem od startovacího bodu. Abychom vzali extrémní číslo, využijme ~ 118 km dosaženého úspěchu rakety GoFast. To nám dává FSPL ~ 133 dB.

Těchto 133 dB je odečteno od rozpočtu odkazu 140 dB, který byl vypočítán dříve a ponechal 7 dB. Protože toto číslo je kladné, zbývá nám „zbývající část“ rozpočtu 7 dB, takže antény mohou nabídnout mírný výkon a stále splňovat tento požadavek.

Ale použít praktičtější příklad pro amatérské rakety dosahující výška zorného pole řekněme 500 metrů, FSPL je ~ 85 dB. Odečtením tohoto rozpočtu od rozpočtu odkazu 140 dB zbývá velmi slušný rozpočet 55 dB. To znamená, že zbývá spousta rozpočtu na propojení - antény mohou být docela okrajové.

Zisk antény

Zisk antény lze volně považovat za způsob anténa může soustředit svůj vyzařovaný výkon. Čím vyšší je zisk antény, tím obecně se zužuje (zaostřuje) hlavní lalok (paprsek) antény. Stejný koncept lze aplikovat na anténu, která přijímá signály. Zisk přijímací antény a zesílení vysílací antény sečtou dohromady je celkový zisk antény. Zisk antény je obvykle specifikován jako dBi (dB zisk ve srovnání s izotropní anténou)

Anténa na raketě bude pravděpodobně mít minimální nebo negativní zisk kvůli omezením hmotnosti a geometrie rakety a také orientaci antény vzhledem k pozemní stanici. Například malý dipól instalovaný po délce těla rakety by normálně měl zisk ~ 5 dBi. Pokud je však pozemní stanice v místě startu přímo pod, zisk by mohl být blíže k -10 dBi kvůli hlavnímu laloku antény, který je kolmý k tělu rakety, a proto není příznivý ve směru k pozemní anténě. Toto často dělá silný důvod pro umístění pozemní antény poněkud downrange, aby bylo možné získat lepší perspektivu zisku.

U pozemní antény je třeba vzít v úvahu skutečnost, že jak se zvyšuje zisk antény hlavní lalok se obvykle zužuje. To často vyžaduje, aby pozemní anténa byla řiditelná, aby sledovala dráhu letu rakety. U rakety s nízkou nadmořskou výškou může stačit nasměrovat pozemní anténu směrem k očekávanému apogee.

Odkazovaný QFH (Quadrifilar Helix) byl optimalizován tak, aby umožňoval příjem negeosynchronních satelitních signálů bez nutnosti zaměřit anténu na dráhu satelitu. Kompromisem je, že anténa má relativně nízký zisk kvůli tomu, že její hlavní lalok je téměř polokulový. Zisk silně závisí na konstrukčních detailech, ale obvykle se pohybuje od 0 do 3 dBi. Anténa QFH má také kruhovou polarizaci. Pokud se použije s lineárně polarizovanou anténou, dojde k penalizaci zisku 3 dB.

Pokud použijeme tyto dvě antény společně a zahrneme trest 3 dB pro kruhovou až lineární křížovou polarizaci, kombinovaný zisk horšího případu je -13 dB a nejlepší zisk případu je 5 dB. Osvědčeným postupem je povolit v rozpočtu propojení alespoň 10 dB bezpečnostní rezervu, ale i v tomto případě v rozpočtu linky stále zbývá dostatek (kladných) dB, takže tento pár antén by měl pro tuto ukázkovou aplikaci dobře fungovat. Pro příklad rakety GoFast by to však mohlo být okrajové.

Vzhledem ke konstrukční složitosti QFH antény bych za základní anténu považoval jednoduchou čtvrtvlnnou pozemní anténu nebo vertikální 1/2 vlnový dipól pozemní anténa pro tento příklad. Jeden z nich by byl udržován alespoň 1 metr nad zemí prostřednictvím nevodivé podpory s horní částí antény nakloněnou o ~ 60 stupňů od linie dráhy rakety. Kvůli velkému zbývajícímu rozpočtu spoje nebude chyba v naklonění kterékoli z těchto antén škodlivá pro komunikaci. Zisk kterékoli z těchto antén překročí 4 dBi a nedojde k pokutě za polarizaci 3 dB.

Fáze obnovy

Hledání rakety po jejím návratu na zem představuje některé jedinečné výzvy. Listí a půda zeslabí signál vysílače a terén rozptýlí signál vysílače. Přijímací anténa musí být směrová, abyste mohli vyhledat polohu rakety posunutím hlavního laloku antény tam a zpět. Přijímací anténu je také třeba snadno přenášet, aby bylo možné „jít do pole“ a najít sestřelenou raketu. Pro tyto účely dobře funguje malá anténa Yagi.

Vizuální nebo GPS sledování trajektorie přistání obvykle přiblíží pozorovatele velmi blízko ke skutečnému místu přistání. To pomáhá ve fázi obnovy, protože to efektivně zvyšuje rozpočet odkazu. V případě selhání padáku může být fáze obnovy velmi frustrující.

Závěr

Friisova rovnice poskytuje analytickou metodu k určení, zda je možná přímá komunikace. Příklad zpracovaný v této odpovědi je čistě hypotetický, takže OP by měl shromažďovat parametry, které se vztahují na konkrétní aplikaci, a pomocí popsaných vzorců vypočítat potřebné zisky antény pro konkrétní aplikaci.

Pokud je rozpočet odkazu nelze splnit rozumnými anténami, pak citlivost přijímače, výkon vysílače a dokonce i použitá frekvence jsou kandidáty na zlepšení rozpočtu spojení, aby se stal spolehlivým komunikačním systémem.