Especificaciones de una antena de alta ganancia

Así que estamos buscando especificar un

Antena de banda X de alta ganancia para la comunicación en un vehículo de Entrada-Descenso-Aterrizaje

en alrededor de 10 AU, y quiere

determinar el diámetro de la antena, el uso de energía, la velocidad de transmisión y cómo determinar la fuerza de la señal que se envía de vuelta a la Tierra.

Esto es lo que se llama un cálculo de presupuesto de enlace .

Como @ A.Rumlin señala que es una gran tarea, pero puede hacer algunas estimaciones con bastante facilidad al ver esta respuesta a ¿Qué tan difícil es recibir señales directas de vehículos en la superficie de Marte, y alguien que no sea el DSN lo ha hecho? ? Pero agregaré una respuesta aún más corta aquí basada en su aplicación.

Desde aquí :

Presupuesto de enlace

De esta respuesta que es de esta respuesta :

$$P_{RX} = P_{TX} + G_{TX} - L_{FS} + G_{RX}$$

• $P_{RX}$: energía recibida por la nave espacial
• $P_{TX}$: potencia transmitida por reloj de pulsera
• $G_{TX}$: Ganancia de la antena transmisora ​​del reloj de pulsera (en comparación con isotrópica)
• $L_{FS}$: Pérdida de espacio libre, lo que solemos llamar$1/r^2$
• $G_{RX}$: Ganancia de la antena receptora de la nave espacial (en comparación con isotrópica)

$$G \sim 20 \times \log_{10}\left( \frac{\pi d}{\lambda} \right)$$

$$L_{FS} = 20 \times \log_{10}\left( 4 \pi \frac{R}{\lambda} \right).$$

Trabajaré con un ejemplo, luego puedes poner tus propios números.

Supongamos que está utilizando la banda X a 7,5 GHz y su nave espacial como un plato de 1,5 metros. la longitud de onda$\lambda = c/f$es de 0,04 metros, por lo que el plato de su nave espacial tiene una ganancia (relativa a la isotrópica) de unos 41 dBi.

Digamos que su antena receptora es una de las tres grandes antenas de 70 metros de la Red de Espacio Profundo, entonces$G_{RX}$es 75 dBi

La "pérdida de ruta de espacio libre"$L_{FS}$(básicamente$1/r^2$) a 10 UA es de unos 293 dB. ¡Ay!

Si la potencia transmitida de su nave espacial$P_{TX}$es de 5 vatios o alrededor de 7 dBW, entonces tenemos

$$P_{RX} = 7 + 41 - 293 + 75 = \text{-170 dBW}$$

Eso es$10^{-17}$vatios

Si su receptor se enfría a "digamos 20 Kelvin, la potencia equivalente de ruido será de aproximadamente$k_B T \times \Delta f$dónde$k_B$es la constante de Boltzmann . Para 10 kHz eso es -189 dBW o aproximadamente$1.3 \times 10^{-19}$vatios, mucho menor que la intensidad de la señal recibida. Para obtener más información al respecto, consulte esta respuesta, por ejemplo.

Esto significa que puede recortar el tamaño de la antena de transmisión o recepción, o aumentar el ancho de banda.

También debe realizar el mismo cálculo para el enlace ascendente, pero este suele ser más fácil porque todos los términos son iguales, excepto la potencia de transmisión y la temperatura de ruido del receptor.