В электросвязи потери на трассе в свободном пространстве ( FSPL ) - это ослабление энергии радиоизлучения между точками питания двух антенн, которое возникает в результате комбинации зоны захвата приемной антенны и беспрепятственного пути прямой видимости через свободное пространство. (обычно воздушный). [1] Стандартные определения терминов для антенн, IEEE Std 145-1993, определяют «потери в свободном пространстве» как «потери между двумя изотропными излучателями в свободном пространстве, выраженные как отношение мощностей». [2]Он не включает потери мощности в самих антеннах из-за таких дефектов, как сопротивление. Потери в свободном пространстве увеличиваются пропорционально квадрату расстояния между антеннами, поскольку радиоволны распространяются по закону обратных квадратов, и уменьшаются пропорционально квадрату длины волны радиоволн. FSPL редко используется отдельно, а скорее как часть формулы передачи Friis , которая включает усиление антенн. [3] Это фактор, который должен быть включен в бюджет линии мощности системы радиосвязи, чтобы гарантировать, что достаточная мощность радиосигнала достигнет приемника, чтобы передаваемый сигнал принимался понятным образом.
Формула потерь на трассе в свободном пространстве
Формула потерь на трассе в свободном пространстве (FSPL) выводится из формулы передачи Фрииса . [3] В нем говорится, что в радиосистеме, состоящей из передающей антенны, передающей радиоволны на приемную антенну, отношение мощности принимаемой радиоволны к передаваемой мощности является:
где
- это направленности передающей антенны
- является направленности приемной антенны
- длина волны сигнала
- это расстояние между антеннами
Расстояние между антеннами должны быть достаточно большими, чтобы антенны находились в дальней зоне друг друга. [4] Потери на трассе в свободном пространстве - это коэффициент потерь в этом уравнении, который обусловлен расстоянием и длиной волны, или, другими словами, отношением передаваемой мощности к полученной, если предположить, что антенны изотропны и не имеют направленности (): [5]
Поскольку частота радиоволны равна скорости света разделенные на длину волны, потери на трассе также можно записать в терминах частоты:
Помимо предположения, что антенны не имеют потерь, эта формула предполагает, что поляризация антенн одинакова, что нет эффектов многолучевого распространения и что путь радиоволн находится достаточно далеко от препятствий, чтобы действовать так, как если бы он был свободен. космос. Это последнее ограничение требует, чтобы эллипсоидальная область вокруг линии обзора до 0,6 от зоны Френеля была свободна от препятствий. Зона Френеля увеличивается в диаметре с увеличением длины волны радиоволн. Часто концепция потерь на свободном пути применяется к радиосистемам, которые не полностью удовлетворяют этим требованиям, но эти недостатки могут быть объяснены небольшими постоянными коэффициентами потерь мощности, которые могут быть включены в бюджет линии .
Влияние расстояния и частоты
Потери в свободном пространстве увеличиваются с увеличением расстояния между антеннами и уменьшаются с увеличением длины волны радиоволн из-за следующих факторов: [6]
- Интенсивность () - плотность мощности радиоволн уменьшается пропорционально квадрату расстояния от передающей антенны из-за распространения электромагнитной энергии в пространстве по закону обратных квадратов [1]
- Зона захвата антенны () - величина мощности, которую приемная антенна захватывает из поля излучения, пропорциональна коэффициенту, называемому апертурой антенны или площадью захвата антенны, который увеличивается пропорционально квадрату длины волны. [1] Поскольку этот фактор не связан с трактом радиоволн, а исходит от приемной антенны, термин «потери на трассе в свободном пространстве» вводит в заблуждение.
Вывод
Радиоволны от передающей антенны распространяются сферическим волновым фронтом. Количество энергии, проходящей через любую сферу с центром передающей антенны, одинаково. Площадь поверхности шара радиуса является . Таким образом, интенсивность или плотность мощности излучения в любом конкретном направлении от антенны обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Для изотропной антенны, которая излучает одинаковую мощность во всех направлениях, плотность мощности равномерно распределяется по поверхности сферы, центрированной на антенне.
Величина мощности, которую приемная антенна получает от этого поля излучения, равна
Фактор , называемая эффективной площадью или апертурой приемной антенны, которая имеет единицы площади, может рассматриваться как величина площади, перпендикулярной направлению радиоволн, от которой приемная антенна улавливает энергию. Поскольку линейные размеры антенны масштабируются с длиной волныплощадь поперечного сечения антенны и, следовательно, апертура масштабируется с квадратом длины волны. . [6] Эффективная площадь изотропной антенны (вывод этого см. В статье об апертуре антенны ):
Комбинируя вышеуказанные (1) и (2), для изотропных антенн
Потери в свободном пространстве в децибелах
Удобный способ выразить FSPL в децибелах (дБ).
где единицы как раньше.
Для типичных радиоприложений обычно можно найти измеряется в ГГц и в км, и в этом случае уравнение FSPL принимает вид
Для в метрах и килогерцах, соответственно, постоянная становится .
Для в метрах и мегагерцах, соответственно, постоянная становится .
Для в километрах и мегагерцах, соответственно, постоянная становится . [7]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ a b c Ислам, Сяд Камрул; Хайдер, Мохаммад Рафикул. Датчики и обработка сигналов малой мощности (ред. 2010 г.). п. 49. ISBN 978-0387793917.
- ^ IEEE Std 145-1993 (R2004), Стандартные определения терминов IEEE для антенн . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Институт инженеров по электротехнике и электронике, Inc. 1993. стр. 14. ISBN 1-55937-317-2.
- ^ а б Фриис, HT (май 1946 г.). «Примечание к простой формуле передачи». IRE Proc. : 254–256.
- ^ Джонсон, Ричард (1984). Справочник по антенной инженерии (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill, Inc., стр. 1–12. ISBN 0-07-032291-0.
- ^ Уитакер, Джерри С. (1996). Справочник по электронике . CRC Press. п. 1321. ISBN 9780849383458.
- ^ а б Cerwin, Стив (2019). Распространение радио и антенны: нематематический подход к радио и антеннам . Авторский Дом. С. 31–35. ISBN 9781728320328., Раздел 1.8
- ^ Пул, Ян. «Потери на свободном пути: детали, формула, калькулятор» . radio-electronics.com . Adrio Communications Ltd . Проверено 17 июля 2017 года .
дальнейшее чтение
- К.А. Баланис, "Теория антенн", 2003 г., John Wiley and Sons Inc.
- Вывод версии уравнения потерь на трассе в дБ
- Страницы потери пути для свободного места и реального мира - включает калькулятор потери свободного места