La mia domanda è: quale antenna per la stazione di terra sarà la scelta migliore?
Questa risposta a questa domanda richiede la raccolta di alcuni dati e l'esecuzione di calcoli per fornire una risposta affidabile. La formula principale è l ' equazione di Friis, ma la spezzerò nelle sue parti costitutive. Non hai fornito dati sufficienti per calcolare la tua situazione specifica, quindi elaborerò alcuni esempi.
Link Budget
Il budget del link è una determinazione della massima perdita che il segnale può sopportare e che consente comunque comunicazioni affidabili. Questi dati possono essere normalmente raccolti dalle schede tecniche del produttore per il ricevitore e il trasmettitore. Queste cifre sono tipicamente espresse in unità di dBm (decibel rispetto a 1 millwatt). Supponiamo per questo esercizio che il ricevitore abbia una sensibilità di -130 dBm e che il trasmettitore emetta 10 dBm. Il budget del collegamento è quindi:
$$ dB_ {Link} = dBm_t-dBm_r \ tag 1 $$
che in questo caso produce 140 dB. Spesso i dati del produttore sono un po 'ottimistici, quindi in seguito creeremo un fattore di sicurezza per questo.
Perdita del percorso di spazio libero
Il prossimo fattore che viene in gioco è la perdita del percorso dello spazio libero (FSPL). Questo fenomeno si verifica perché il segnale si sta diffondendo mentre viaggia, quindi questo riduce l'irraggiamento per una data apertura dell'antenna di ricezione (si pensi a come una torcia / torcia ha brillato su un oggetto, sembra essere più debole quanto più lontano diventa l'oggetto). FSPL in dB è dato come:
$$ dB_ {FSPL} = 20 \ log \ left (\ frac {4 \ pi d} {\ lambda} \ a destra) \ tag 2 $$
dove $ \ lambda $ è la lunghezza d'onda della frequenza interessata (300 / Frequenza in MHz) ed è la distanza in metri. Il dB è un'unità che confronta il rapporto di due potenze. Poiché viene calcolato utilizzando un logaritmo, rapporti molto grandi o piccoli sono espressi come un numero più "gestibile".
Il segnale a 868 MHz ha una lunghezza d'onda di ~ 0,346 metri. La distanza è la distanza in linea di vista dall'altitudine massima prevista del razzo. Considera che questo deve includere anche la deriva verso il basso del razzo e la distanza di separazione dell'antenna di ricezione dal punto di lancio. Per prendere un numero estremo, usiamo il risultato di ~ 118 km del razzo GoFast. Questo ci dà un FSPL di ~ 133 dB.
Questo 133 dB viene sottratto dal budget di collegamento di 140 dB calcolato in precedenza lasciando 7 dB. Poiché questo numero è positivo, abbiamo 7 dB di link budget "rimanenti" in modo che le antenne possano offrire prestazioni moderate e comunque soddisfare questo requisito.
Ma per usare un esempio più pratico per i razzi amatoriali che raggiungono altezza della linea di vista di circa 500 metri, l'FSPL è ~ 85 dB. Sottraendo questo dal budget di collegamento di 140 dB si ottiene un budget di 55 dB di tutto rispetto. Ciò significa che è rimasto molto budget di collegamento: le antenne possono essere piuttosto marginali.
Guadagno dell'antenna
Il guadagno dell'antenna può essere vagamente pensato come bene un'antenna può focalizzare la sua potenza irradiata. Maggiore è il guadagno dell'antenna, generalmente più stretto (più focalizzato) diventa il lobo principale (raggio) dell'antenna. Lo stesso concetto può essere applicato a un'antenna che riceve segnali. Il guadagno dell'antenna di ricezione e il guadagno dell'antenna di trasmissione sommati è il guadagno totale dell'antenna. Il guadagno dell'antenna è tipicamente specificato come dBi (guadagno in dB rispetto a un'antenna isotropica)
L'antenna sul razzo avrà probabilmente un guadagno minimo o negativo a causa dei vincoli della massa e della geometria del razzo, nonché dell'orientamento dell'antenna rispetto alla stazione di terra. Ad esempio, un piccolo dipolo installato lungo la lunghezza del corpo del razzo avrebbe normalmente un guadagno di ~ 5 dBi. Ma se la stazione di terra si trova direttamente sotto al punto di lancio, il guadagno potrebbe essere più vicino a -10 dBi a causa del lobo principale dell'antenna perpendicolare al corpo del razzo e quindi non favorevole nella direzione dell'antenna di terra. Questo è spesso un valido motivo per posizionare l'antenna di terra leggermente al di sotto del range per avere una migliore prospettiva di guadagno.
Per l'antenna di terra, si deve tenere in considerazione il fatto che all'aumentare del guadagno dell'antenna il lobo principale diventa tipicamente più stretto. Ciò spesso richiede che l'antenna terrestre sia orientabile per seguire la traiettoria di volo del razzo. Per un razzo a bassa quota, potrebbe essere sufficiente puntare l'antenna terrestre verso l'apogeo previsto.
Il QFH (Quadrifilar Helix) di riferimento è stato ottimizzato per consentire la ricezione di segnali satellitari non geosincroni senza la necessità puntare l'antenna verso il percorso del satellite. Il compromesso è che l'antenna ha un guadagno relativamente basso poiché il suo lobo principale è quasi emisferico. Il guadagno dipende molto dai dettagli costruttivi ma in genere varia da 0 a 3 dBi. L'antenna QFH ha anche una polarizzazione circolare. Se utilizzato con un'antenna polarizzata linearmente, si verifica una penalità di guadagno di 3 dB.
Se usiamo queste due antenne insieme e includiamo la penalità di 3 dB per la polarizzazione incrociata da circolare a lineare, il guadagno del caso peggiore combinato è -13 dB e il guadagno del caso migliore è 5 dB. È una buona pratica consentire un margine di sicurezza di almeno 10 dB nel budget del collegamento, ma anche con questo abbiamo ancora ampi (positivi) dB rimasti nel budget del collegamento, quindi questa coppia di antenne dovrebbe funzionare bene per questa applicazione di esempio. Potrebbe, tuttavia, essere marginale per l'esempio del razzo GoFast.
A causa della complessità di costruzione di un'antenna QFH, considererei una semplice antenna ground plane a quarto d'onda o un dipolo verticale a 1/2 onda come il antenna di terra per questo esempio. O uno sarebbe tenuto ad almeno 1 metro da terra tramite un supporto non conduttore con la parte superiore dell'antenna inclinata a ~ 60 gradi dalla linea di traiettoria del razzo. A causa dell'elevato budget di collegamento rimanente, un errore nell'inclinazione di una di queste antenne non sarà dannoso per le comunicazioni. Il guadagno di una di queste antenne supererà i 4 dBi e la penalità di polarizzazione di 3 dB non verrà applicata.
Fase di recupero
Trovare il razzo una volta che è tornato a terra presenta alcune sfide uniche. Il fogliame e il terreno attenueranno il segnale del trasmettitore e il terreno disperderà il segnale del trasmettitore. L'antenna di ricezione deve essere direzionale in modo che tu possa cercare la posizione del razzo muovendo avanti e indietro il lobo principale dell'antenna. Anche l'antenna ricevente deve essere facilmente trasportata per "entrare nel campo" per trovare il razzo abbattuto. Una piccola antenna Yagi funziona bene per questi scopi.
Tipicamente il tracciamento visivo o GPS della traiettoria di atterraggio porta l'osservatore molto vicino al punto di atterraggio effettivo. Ciò aiuta nella fase di ripristino poiché aumenta efficacemente il budget del collegamento. In caso di guasto del paracadute, la fase di recupero può essere molto frustrante.
Conclusione
L'equazione di Friis fornisce un metodo analitico per determinare se le comunicazioni in linea di vista sono possibili. L'esempio elaborato in questa risposta è puramente ipotetico, quindi l'OP dovrebbe raccogliere i parametri che si applicano all'applicazione specifica e utilizzare le formule descritte per calcolare i guadagni dell'antenna necessari per l'applicazione specifica.
Se il budget del collegamento non possono essere soddisfatte con antenne ragionevoli, quindi la sensibilità del ricevitore, la potenza del trasmettitore e persino la frequenza utilizzata sono candidati per migliorare il budget del collegamento per renderlo un sistema di comunicazione affidabile.