Comunicación en globo a gran altura

Question

Nuestro equipo está planeando hacer un proyecto HAB (High Altitude Ballon) para nuestra universidad. Estamos planeando utilizar módulos de RF XBee pro 868 (estamos en Europa por lo que no podemos utilizar la banda de 900 MHz). Tenemos que comunicarnos con la estación base desde la carga útil a 20-30 km de distancia. Mi pregunta es, ¿qué tipo de antenas tendremos que utilizar? La hoja de datos del Xbee dice que con antenas de alta ganancia el módulo puede comunicarse hasta 40 km con una LOS (línea de visión) clara. Si ponemos antenas de alta ganancia como las de tipo YAGI en la estación base, ¿seguimos necesitando colocar antenas de alta ganancia o son suficientes las antenas dipolo para la carga útil?

Nota: Sé que a cierta distancia la conexión se perderá y tenemos que mover nuestra estación base de acuerdo con los últimos datos del GPS para encontrar la zona de aterrizaje de la carga útil. Pero estamos tratando de hacer lo mejor que podemos para extender la duración de la comunicación antes de perder la conexión.

Especificaciones del módulo:

Answer 1

Lo que necesitas es un presupuesto del enlace . Las especificaciones que usted proporciona dicen que la potencia máxima de transmisión es de 25 dBm, y la sensibilidad del receptor es de -112 dBm. Esto significa que puede permitirse, en el mejor de los casos:

$$ 25\:\mathrm{dBm} - (-112\:\mathrm{dBm}) = 137\:\mathrm{dB} \text{ of loss } $$

Por supuesto, querrás dejar un buen margen de solidez, pero esto te da algunos límites.

El cálculo de las pérdidas se simplifica enormemente en el caso de un globo, ya que podemos suponer razonablemente una línea de visión clara. Las condiciones atmosféricas (niebla, lluvia, etc.) pueden aumentar las pérdidas, y es posible que haya que competir con el ruido de otras radios en la misma frecuencia, pero para eso está el margen.

La pérdida más evidente es la debida a la distancia entre las antenas. Es lo que se denomina pérdida de trayectoria en el espacio libre y podemos calcular esta pérdida, en decibelios, como

$$ 20 \log_{10}(d) + 20 \log_{10}(f) + 32.45 $$

Dónde:

• \$d\$ es la distancia, en kilómetros
• \$f\$ es la frecuencia, en megahercios

Así que para su distancia especificada de 30 km, y una frecuencia de 868 MHz:

$$ 20 \log_{10}(30) + 20 \log_{10}(868) + 32.45 = 120.76 \:\mathrm{dB}$$

Esta pérdida (121 dB) es menor que la pérdida máxima basada en la potencia de transmisión y la sensibilidad anterior (137 dB), por lo que, en teoría, el enlace debería funcionar, incluso con un antena isotrópica .

De hecho, tiene un margen de \$137 - 121 = 16 \:\mathrm{dB}\$ . Cualquier ganancia que tengan tus antenas va a aumentar este margen. No importa si se añade ganancia de antena en el receptor, en el transmisor o en ambos. Debido a reciprocidad Cualquier ganancia en el sistema ayuda de la misma manera. Un margen adicional también puede permitir que los transmisores funcionen a menor potencia, lo que aumentará la duración de la batería, si eso es una preocupación.

Hay otra fuente de pérdida que puede no ser obvia: pérdida de polarización . Como el globo está girando, no se sabe cuál será su orientación. Las comunicaciones por satélite tienen el mismo problema, y la solución canónica es polarización circular .

Como no se necesita mucha ganancia (y de hecho, demasiada ganancia dificultará la orientación de las antenas), un antena de torniquete puede ser una buena opción. Es de polarización circular y fácil de construir. Añadir un conjunto de reflectores como en la primera imagen de ese artículo de la Wikipedia podría no ser una mala idea para la antena de tierra, sólo para un margen extra:

Esta antena también podría describirse como dos antenas cruzadas Yagi Las antenas en el mismo brazo y alimentadas en cuadratura, por lo que para calcular la geometría de los elementos de la antena se pueden utilizar los diseños Yagi existentes. Si investigas sobre las antenas Yagi para la comunicación por satélite deberías encontrar amplia información.

Answer 2

El problema que tendrá cualquier antena de alta ganancia es la pérdida de diversidad espacial. En pocas palabras, cuanta más ganancia, mejor será el seguimiento. En el caso de los globos, es probable que no se pueda realizar ningún seguimiento, simplemente por el peso, la potencia y la complejidad. Sin embargo, considere que no necesita transmitir hacia arriba, por lo que una antena con sólo un componente hacia adelante (hacia abajo) dará un buen equilibrio entre la ganancia de la antena y la diversidad espacial, realmente no hay ningún compromiso. Si tienes una buena idea de las condiciones de viento (es decir, la predicción de la distancia de viaje hacia abajo del viento) que son típicas y la altura que tiene la intención de alcanzar, entonces usted podría ser capaz de restringir su direccionalidad de la antena más y todavía no tiene que tener el seguimiento.

Una buena antena direccional como una YAGI con seguimiento en la estación base parece la idea correcta. Especialmente si es móvil y puedes moverte para mantenerte más cerca.

Answer 3

Si vas a transmitir a 20-30 km de la antena, yo sugeriría usar una antena omnidireccional en el globo. No puedes tener una antena direccional apuntando hacia abajo, y si intentas montarla en ángulo, no podrás controlar la dirección ya que el globo puede girar en cualquier dirección.

Aunque parezca que cuanto más larga sea la antena mejor, en realidad una antena monopolo "látigo" de 1/4 de longitud de onda (86 mm a 868 MHz) es la mejor opción para usted. Para otras longitudes como 1/2 o 5/8 de onda habrá un componente reactivo en el punto de alimentación que requiere una carga adicional para adaptarse a 50 ohmios.

La ventaja de las antenas monopolo es que su diagrama de radiación es uniforme en todas las direcciones, a diferencia de, por ejemplo, una antena dipolo (que suelen tener 1/2 longitud de onda) que tiene patrones de radiación concentrados en dos lóbulos.

Las antenas de látigo están diseñadas para ser montadas por encima (o por debajo, en tu caso) de un plano de tierra, como el techo de una tarjeta, y no hay radiación por debajo (por encima) de este plano de tierra. Imagina que el coche de abajo es tu globo.

Por lo tanto, es necesario proporcionar un plano de tierra, o proporcionar un pseudoplano de tierra utilizando elementos adicionales que se inclinan hacia abajo desde la antena como se muestra a continuación a la derecha. En realidad son cuatro, los dos perpendiculares a los otros no se muestran. Pueden ser de cualquier material rígido; las perchas estarían bien. Estos otros elementos tienen la misma longitud, 1/4 de onda, que la antena. El plano de tierra metálico bajo la antena de la izquierda es el techo de un coche.

En tu estación base yo usaría una antena direccional como una Yagi ya que puedes controlar con precisión la dirección.

He utilizado con éxito esta disposición para recibir datos a 920 MHz desde un transmisor en un globo que vuela a 70.000 pies y a 240 millas de distancia de mi estación base (un camión), utilizando una antena de látigo en ambos extremos.