Ballonkommunikation in großer Höhe

Was Sie brauchen, ist ein Linkbudget . Die von Ihnen angegebenen Spezifikationen besagen, dass die maximale Sendeleistung 25 dBm und die Empfängerempfindlichkeit -112 dBm beträgt. Das bedeutet, dass Sie sich bestenfalls leisten können:

Sie werden natürlich einen gesunden Spielraum für Robustheit lassen wollen, aber es gibt Ihnen einige Grenzen.

Bei einem Ballon vereinfacht sich die Schadensberechnung stark, da man vernünftigerweise von einer freien Sichtlinie ausgehen kann. Atmosphärische Bedingungen (Nebel, Regen usw.) können den Verlust erhöhen, und Sie müssen möglicherweise mit dem Rauschen anderer Funkgeräte auf derselben Frequenz konkurrieren, aber dafür ist die Marge da.

Der offensichtlichste Verlust entsteht durch den Abstand zwischen den Antennen. Dies wird als Pfaddämpfung im freien Raum bezeichnet , und wir können diese Dämpfung in Dezibel wie folgt berechnen:

Wo:

• $d$ist die Entfernung in Kilometern
• $f$ist die Frequenz in Megahertz

Also für Ihre angegebene Entfernung von 30 km und einer Frequenz von 868 MHz:

Dieser Verlust (121 dB) ist geringer als der maximale Verlust basierend auf der Sendeleistung und Empfindlichkeit oben (137 dB), sodass die Verbindung theoretisch auch mit einer isotropen Antenne funktionieren sollte .

Tatsächlich haben Sie eine Marge von$137 - 121 = 16 \:\mathrm{dB}$. Jeder Gewinn, den Ihre Antennen haben, erhöht diesen Spielraum. Es spielt keine Rolle, ob Sie den Antennengewinn am Empfänger, am Sender oder an beiden hinzufügen. Aufgrund der Reziprozität hilft jeder Gewinn im System auf die gleiche Weise. Ein zusätzlicher Spielraum kann es den Sendern auch ermöglichen, mit einer geringeren Leistung zu arbeiten, was die Batterielebensdauer erhöht, falls dies ein Problem darstellt.

Es gibt eine weitere Verlustquelle, die möglicherweise nicht offensichtlich ist: Polarisationsverlust . Da sich der Ballon dreht, wissen Sie nicht, wie seine Ausrichtung sein wird. Satellitenkommunikation hat das gleiche Problem, und die kanonische Lösung ist Zirkularpolarisation .

Da Sie nicht viel Verstärkung benötigen (und zu viel Verstärkung das Ausrichten der Antennen erschwert), ist eine Drehkreuzantenne möglicherweise eine gute Option. Es ist zirkular polarisiert und einfach zu konstruieren. Das Hinzufügen einer Reihe von Reflektoren wie im ersten Bild aus diesem Wikipedia-Artikel ist möglicherweise keine schlechte Idee für die Bodenantenne, nur um etwas mehr Spielraum zu haben:

Diese Antenne könnte auch als zwei gekreuzte Yagi- Antennen auf demselben Boom beschrieben und in Quadratur eingespeist werden, sodass Sie zur Berechnung der Geometrie der Antennenelemente vorhandene Yagi-Designs verwenden können. Wenn Sie nach Yagi-Antennen für die Satellitenkommunikation suchen, sollten Sie reichlich Informationen finden.

Das Problem, das Sie bei jeder Antenne mit hoher Verstärkung haben werden, ist der Verlust der räumlichen Diversität. Einfach gesagt, je mehr Gain, desto besser sollte das Tracking sein. Die ballongetragene Seite der Dinge schreibt vor, dass Sie dort wahrscheinlich aufgrund von Gewicht, Leistung und Komplexität keine Verfolgung haben können. Beachten Sie jedoch, dass Sie nicht nach oben senden müssen, sodass eine Antenne mit nur einer Vorwärts-(Abwärts-)Komponente einen guten Kompromiss zwischen Antennengewinn und räumlicher Diversität bietet, da gibt es wirklich keinen Kompromiss. Wenn Sie eine gute Vorstellung von den typischen Windbedingungen (dh der Vorhersage der Fahrtstrecke bei Gegenwind) und der Höhe haben, die Sie erreichen möchten, können Sie Ihre Antennenrichtwirkung möglicherweise weiter einschränken und müssen dennoch keine Nachführung haben.

Eine schöne Richtantenne wie eine YAGI mit Tracking an der Basisstation klingt nach der richtigen Idee. Vor allem, wenn es mobil ist und Sie sich bewegen können, um näher zu bleiben.

Wenn Sie 20-30 km von der Antenne entfernt senden, würde ich vorschlagen, eine Rundstrahlantenne am Ballon zu verwenden. Sie können keine Richtantenne haben, die direkt nach unten zeigt, und wenn Sie versuchen, sie in einem Winkel zu montieren, können Sie die Richtung nicht steuern, da sich der Ballon in jede Richtung drehen kann.

Obwohl es den Anschein hat, dass je länger die Antenne desto besser ist, ist tatsächlich eine 1/4 Wellenlänge (86 mm bei 868 MHz) Monopol-Peitschenantenne die beste Wahl für Sie. Bei anderen Längen wie 1/2 oder 5/8 Wellenlänge gibt es am Einspeisepunkt eine reaktive Komponente, die eine zusätzliche Belastung erfordert, um sie an 50 Ohm anzupassen.

Der Vorteil von Monopolantennen besteht darin, dass ihr Strahlungsmuster in alle Richtungen gleichmäßig ist, im Gegensatz zu beispielsweise einer Dipolantenne (die typischerweise 1/2 Wellenlänge hat), deren Strahlungsmuster auf zwei Keulen konzentriert sind.

Peitschenantennen sind so konzipiert, dass sie über (oder in Ihrem Fall unter) einer Grundebene wie dem Dach einer Karte montiert werden können, und es gibt keine Strahlung unter (über) dieser Grundebene. Stellen Sie sich vor, das Auto unten ist Ihr Ballon.

Sie müssen also entweder eine Grundplatte oder eine Pseudo-Grundplatte bereitstellen, indem Sie zusätzliche Elemente verwenden, die von der Antenne nach unten abgewinkelt sind, wie unten rechts gezeigt. Eigentlich sind es vier, die beiden senkrecht zueinander sind nicht dargestellt. Sie können jedes steife Material sein; Kleiderbügel würden gut tun. Diese anderen Elemente haben die gleiche Länge, 1/4 Wellenlänge, wie die Antenne. Die metallene Grundplatte unter der Antenne links ist das Dach eines Autos.

An Ihrer Basisstation würde ich eine Richtantenne wie eine Yagi verwenden, da Sie die Richtung genau steuern können.

Ich habe diese Anordnung erfolgreich verwendet, um Daten bei 920 MHz von einem Sender auf einem Ballon zu empfangen, der 70.000 Fuß und 240 Meilen von meiner Basisstation (einem Lastwagen) entfernt fliegt, wobei ich an beiden Enden eine Peitschenantenne verwendete.