Comunicación con Globos de Gran Altitud

Lo que necesitas es un presupuesto de enlaces . Las especificaciones que 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:

Por supuesto, querrá dejar un margen saludable para la robustez, pero le da algunos límites.

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

La pérdida más obvia es la debida a la distancia entre las antenas. Esto se denomina pérdida de trayectoria en el espacio libre y podemos calcular esta pérdida, en decibeles, como:

Dónde:

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

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

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 una antena isotrópica .

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

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

Dado que no necesita mucha ganancia (y, de hecho, demasiada ganancia dificultará la orientación de las antenas), una antena de torniquete puede ser una buena opción. Tiene polarización circular y es fácil de construir. Agregar un conjunto de reflectores como en la primera imagen de ese artículo de Wikipedia podría no ser una mala idea para la antena terrestre, solo por un margen adicional:

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

El problema que tendrá en cualquier antena de alta ganancia es la pérdida de diversidad espacial. En pocas palabras, cuanto mayor sea la ganancia, mejor será el seguimiento. El lado de las cosas transportado por globos dicta que probablemente no pueda tener ningún seguimiento allí simplemente debido al peso, la potencia y la complejidad. Sin embargo, considere que no necesita transmitir hacia arriba, por lo que una antena con solo un componente hacia adelante (hacia abajo) dará un buen equilibrio entre la ganancia de la antena y la diversidad espacial, realmente no hay compromiso allí. Si tiene una buena idea de las condiciones del viento (es decir, la predicción de la distancia de viaje con el viento hacia abajo) que son típicas y la altura que pretende alcanzar, entonces podría restringir aún más la direccionalidad de su antena y aún así no tener que tener seguimiento.

Una buena antena direccional como una YAGI con seguimiento en la estación base suena como la idea correcta. Sobre todo si es móvil y puedes desplazarte para mantenerte más cerca.

Si va a transmitir a 20-30 km de la antena, le sugiero que use una antena omnidireccional en el globo. No puede tener una antena direccional apuntando directamente hacia abajo, y si intenta montarla en ángulo, no podrá controlar la dirección ya que el globo puede girar en cualquier dirección.

Aunque parecería 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 longitud de onda, habrá un componente reactivo en el punto de alimentación que requiere una carga adicional para igualar los 50 ohmios.

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

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

Por lo tanto, debe 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. Eres en realidad cuatro, los dos perpendiculares a los otros no se muestran. Pueden ser de cualquier material rígido; perchas estarían bien. Estos otros elementos tienen la misma longitud, 1/4 de longitud de onda, que la antena. El plano de tierra de metal debajo de la antena de la izquierda es el techo de un automóvil.

En su estación base, usaría una antena direccional como una Yagi, ya que puede controlar con precisión la dirección.

He usado con éxito este arreglo para recibir datos a 920 MHz desde un transmisor en un globo que volaba a 70,000 pies y 240 millas de distancia de mi estación base (un camión), usando una antena de látigo en ambos extremos.