Question:
Antenne pour recevoir la télémétrie de la fusée 868 MHz: QFH (QHA), hélicoïdale ou?
leller
2018-12-07 04:26:16 UTC
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Je construis un système de communication radio pour un projet de fusée amateur. Nous avons décidé d'utiliser le système LoRa 868 MHz. Ma question est la suivante: quelle antenne pour la station au sol sera le meilleur choix? Nous visons un gain à la fois vertical et horizontal, car nous devons recevoir de la télémétrie à la fois en vol et après l'atterrissage, pour localiser la fusée. Aussi, si QFH, alors comment maintenir la précision tout en construisant une si petite antenne QFH?

Je viens de courir sur [this] (http://link.em.pasternack.com/YesConnect/HtmlMessagePreview?-jS2WnT8_MBPLv6XrVSG3O--595r21HLvF3VvYRYKFQ=.enc&msgVersion=web) qui peut être d'une certaine aide. Notez qu'il existe deux types de polarisation circulaire.
Lora est-elle un bon match? Est-ce que ça marche bien avec Doppler, comme je l'attendais d'une fusée? La télémétrie des véhicules en mouvement n'est certainement pas ce pour quoi Lora a été conçue; le codage chirp décalé dans le temps qu'il utilise peut être décodé de manière relativement robuste contre les décalages doppler statiques, mais a) "peut être" ne signifie pas que les dispositifs LoRa réellement * peuvent *, et b) une fusée serait mon meilleur exemple de changement de doppler heures supplémentaires
Avez-vous d'autres suggestions que Lora?
Beaucoup! Mais nous ne pouvons pas évaluer le système de transmission dont vous avez besoin sans savoir de quel type de transfert de données vous avez besoin. Pourriez-vous s'il vous plaît poser une * nouvelle question * contenant autant d'informations que possible sur les choses que vous voulez faire sur ce lien et les contraintes (comme unidirectionnel, bidirectionnel, type de messages ou de flux, débit de données, contraintes de poids pour la fusée charge utile, contraintes de puissance, le cas échéant, vitesse maximale,…)? Cela ferait une question extrêmement intéressante!
@MarcusMüller Si nous parlons de fusées de classe Estes, je ne pense pas que DS serait un problème à ces fréquences. À 250 m / s, le DS n'est-il pas <1 kHz? Mais pour ce qui est de votre point précédent, nous manquons certainement d'informations.
calcul rapide, @GlennW9IQ: $ \ frac {250 \, \ frac {\ text m} {s}} {c_0} \ cdot 868 \, \ text {MHz} \ approx 723 \, \ text {Hz} $. IIRC, envoie des upchirps sous forme de puces, mais dans la période sur puce, la valeur réelle de la puce est mesurée comme "longueur" du décalage temporel cyclique de cette montée. C'est-à-dire que l'information est sur le moment où votre puce "saute" à zéro (vous pouvez probablement bien voir cela dans le traitement basé sur FFT. Voir Matt Knight, GRCon'16 actes). Maintenant, si je me souviens bien, des choses comme 2⁸ débuts possibles sont là - dans le spectre, comparez cela - un canal LoRa typique ayant une largeur de 125 kHz - à un décalage de fréquence de 700 Hz.
En bref: je ne parierais pas sur LoRa pour déplacer des véhicules. Je suis à peu près certain que les performances se détérioreront considérablement sur une fusée à 250 m / s.
@MarcusMüller Je m'en remets à votre expertise ici. Merci pour l'analyse.
Un répondre:
Glenn W9IQ
2018-12-07 17:12:08 UTC
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Ma question est, quelle antenne pour la station au sol sera le meilleur choix?

Cette réponse à cette question nécessite que certaines données soient collectées et des calculs effectués afin de fournir une réponse fiable. La formule principale est l ' équation de Friis mais je vais la décomposer en ses parties constituantes. Vous n’avez pas fourni suffisamment de données pour calculer votre situation spécifique, je vais donc vous donner quelques exemples.

Budget du lien

Le budget du lien est une détermination de la perte maximale que le signal peut subir tout en permettant des communications fiables. Ces données peuvent normalement être recueillies à partir des fiches techniques du fabricant du récepteur et de l'émetteur. Ces chiffres sont généralement exprimés en unités de dBm (décibels par rapport à 1 millwatt). Supposons pour cet exercice que le récepteur a une sensibilité de -130 dBm et que l'émetteur émet 10 dBm. Le budget du lien est donc:

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

qui donne 140 dB dans ce cas. Souvent, les données du fabricant sont un peu optimistes, nous allons donc intégrer un facteur de sécurité pour cela plus tard.

Perte du chemin d'espace libre

Le facteur suivant qui vient en jeu est la perte de chemin d'espace libre (FSPL). Ce phénomène se produit parce que le signal se propage au fur et à mesure qu'il se déplace, ce qui réduit l'irradiance pour une ouverture d'antenne de réception donnée (pensez à la façon dont une lampe de poche / torche a brillé sur un objet, semble être plus faible plus l'objet s'éloigne). FSPL en dB est donné comme suit:

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

$ \ lambda $ est la longueur d'onde de la fréquence concernée (300 / Fréquence en MHz) et d est la distance en mètres. Le dB est une unité qui compare le rapport de deux puissances. Comme il est calculé à l'aide d'un logarithme, les rapports très grands ou petits sont exprimés sous la forme d'un nombre plus "gérable".

Le signal de 868 MHz a une longueur d'onde d'environ 0,346 mètre. La distance est la distance de la ligne de visée à l'altitude maximale attendue de la fusée. Considérez que cela doit également inclure la dérive en aval de la fusée ainsi que la distance de séparation du viseur de l'antenne de réception du point de lancement. Pour prendre un nombre extrême, utilisons la réalisation d'environ 118 km de la fusée GoFast. Cela nous donne un FSPL de ~ 133 dB.

Ces 133 dB sont soustraits du bilan de liaison de 140 dB calculé précédemment en laissant 7 dB. Parce que ce nombre est positif, il nous reste 7 dB de budget de liaison pour que les antennes puissent offrir des performances modérées tout en répondant à cette exigence.

Mais pour utiliser un exemple plus pratique pour les fusées amateurs atteignant un maximum hauteur de la ligne de visée de 500 mètres, le FSPL est de ~ 85 dB. Le soustraire du budget de liaison de 140 dB laisse un budget de 55 dB très respectable. Cela signifie qu'il reste beaucoup de budget de liaison - les antennes peuvent être assez marginales.

Gain d'antenne

Le gain d'antenne peut être vaguement considéré comme bien une antenne peut concentrer sa puissance rayonnée. Plus le gain de l'antenne est élevé, plus le lobe principal (faisceau) de l'antenne devient généralement plus étroit (plus focalisé). Le même concept peut être appliqué à une antenne qui reçoit des signaux. Le gain de l'antenne de réception et le gain de l'antenne d'émission additionnés constituent le gain d'antenne total. Le gain d'antenne est généralement spécifié en dBi (gain en dB par rapport à une antenne isotrope)

L'antenne de la fusée aura probablement un gain minimal ou négatif en raison des contraintes de masse et de géométrie de la fusée ainsi que de l'orientation de l'antenne par rapport à la station au sol. Par exemple, un petit dipôle installé sur la longueur du corps de la fusée aurait normalement un gain d'environ 5 dBi. Mais si la station au sol est directement en dessous au point de lancement, le gain pourrait être plus proche de -10 dBi du fait que le lobe principal de l'antenne est perpendiculaire au corps de la fusée et donc peu favorable en direction de l'antenne au sol. Cela justifie souvent de localiser l'antenne au sol quelque peu en aval afin d'avoir une meilleure perspective de gain.

Pour l'antenne au sol, il faut tenir compte du fait que lorsque le gain de l'antenne augmente, le lobe principal devient généralement plus étroit. Cela nécessite alors souvent que l'antenne au sol soit orientable pour suivre la trajectoire de vol de la fusée. Pour une fusée à basse altitude, il peut être suffisant de pointer l'antenne au sol vers l'apogée attendue.

Le QFH (Quadrifilar Helix) référencé a été optimisé pour permettre la réception de signaux satellites non géosynchrones sans nécessité pour diriger l'antenne vers la trajectoire du satellite. Le compromis est que l'antenne a un gain relativement faible en raison du fait que son lobe principal est presque hémisphérique. Le gain dépend fortement des détails de construction, mais varie généralement de 0 à 3 dBi. L'antenne QFH a également une polarisation circulaire. S'il est utilisé avec une antenne polarisée linéairement, il y a une pénalité de gain de 3 dB.

Si nous utilisons ces deux antennes ensemble et incluons la pénalité de 3 dB pour la polarisation croisée circulaire à linéaire, le gain combiné dans le pire des cas est de -13 dB et le gain dans le meilleur des cas est de 5 dB. Il est recommandé de prévoir une marge de sécurité d'au moins 10 dB dans le bilan de liaison, mais même avec cela, il reste encore suffisamment de dB (positifs) dans le bilan de liaison, de sorte que cette paire d'antennes devrait bien fonctionner pour cet exemple d'application. Cela pourrait cependant être marginal pour l'exemple de la fusée GoFast.

En raison de la complexité de construction d'une antenne QFH, je considérerais une simple antenne plan de masse quart d'onde ou un dipôle vertical 1/2 onde comme le antenne au sol pour cet exemple. L'un ou l'autre serait maintenu à au moins 1 mètre du sol via un support non conducteur avec le dessus de l'antenne incliné à ~ 60 degrés de la ligne de trajectoire de la fusée. En raison du grand budget de liaison restant, une erreur d'inclinaison de l'une ou l'autre de ces antennes ne sera pas préjudiciable aux communications. Le gain de l'une ou l'autre de ces antennes dépassera 4 dBi et la pénalité de polarisation de 3 dB n'est pas encourue.

Phase de récupération

Trouver la fusée une fois qu'elle est revenue au sol présente des défis uniques. Le feuillage et le sol atténueront le signal de l'émetteur et le terrain diffusera le signal de l'émetteur. L'antenne de réception doit être directionnelle afin que vous puissiez rechercher l'emplacement de la fusée en balayant le lobe principal de l'antenne d'avant en arrière. L'antenne de réception doit également être facilement transportée afin de «se rendre sur le terrain» pour trouver la fusée abattue. Une petite antenne Yagi fonctionne bien à ces fins.

Généralement, le suivi visuel ou GPS de la trajectoire d'atterrissage rapproche l'observateur de l'emplacement d'atterrissage réel. Cela aide dans la phase de récupération car cela augmente effectivement le budget de liaison. En cas de panne d'un parachute, la phase de récupération peut être très frustrante.

Conclusion

L'équation de Friis fournit une méthode analytique pour déterminer si les communications en visibilité directe sont possibles. L'exemple traité dans cette réponse est purement hypothétique, donc l'OP doit collecter les paramètres qui s'appliquent à l'application spécifique et utiliser les formules décrites pour calculer les gains d'antenne nécessaires pour l'application spécifique.

Si le budget de liaison ne peut pas être satisfait avec des antennes raisonnables, alors la sensibilité du récepteur, la puissance de l'émetteur et même la fréquence utilisée sont des candidats pour améliorer le budget de liaison pour en faire un système de communication fiable.



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 4.0 sous laquelle il est distribué.
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