Guía de la calculadora de presupuesto de RF Link: espacio libre, friis y margen de atenuación

Por qué usar una calculadora de presupuesto RF Link en línea en lugar de una hoja de cálculo

Los presupuestos de Link son álgebra. Cada dB es aditivo: Pt + Gt + Gr − FSPL − L_misc = Pr. Puede hacerlo en Excel o en papel cuadriculado. La razón para usar una [calculadora presupuestaria RF Link] dedicada (/calculators/rf/rf-link-budget/) es la velocidad de iteración: cambias una entrada, ves que las seis salidas se actualizan en menos de 500 ms y vuelves a copiar una URL que se pueda compartir en la revisión del diseño. La calculadora de rftools.io funciona completamente en tu navegador sin necesidad de registrarte, por lo que el tiempo que transcurre entre la pregunta y la respuesta se mide en pulsaciones de teclas, no en minutos.

Los paquetes completos de simulación de RF (Keysight ADS, Cadence AWR, MATLAB RF Toolbox, AGI STK) resuelven problemas que la ecuación del presupuesto de enlaces no puede resolver: geometría de satélites variable en el tiempo, trazado de rayos de propagación a través de bases de datos de terreno, modelado de amplificadores no lineales. Si su pregunta se ajusta a la ecuación de Friis, esas herramientas son exageradas. Si su pregunta necesita alguna de esas opciones, una calculadora no es suficiente. Elige la herramienta adecuada para el trabajo.

La ecuación que resuelve la calculadora

$$P_r = P_t + G_t + G_r - L_{tx} - L_{rx} - FSPL - L_{rain} - L_{atm} - L_{pt}$$

donde

$$FSPL = 20 \log_{10}\!\left(\frac{4 \pi d f}{c}\right)$$

con$d$la distancia en metros,$f$la frecuencia en Hz y$c$la velocidad de la luz. La calculadora expone cada término como una entrada con nombre para que puedas trazar la aritmética sin magia oculta.

Cada resultado se deriva únicamente de esas entradas:

• EIRP =$P_t + G_t - L_{tx}$(lo que irradia la antena)
• Potencia recibida = EIRP +$G_r - L_{rx}$− FSPL − pérdidas adicionales
• Margen de enlace = potencia recibida − sensibilidad del receptor
• Alcance máximo resuelve la ecuación de Friis para$d$cuando el margen de enlace es de 0 dB

Leyendo las píldoras de salida de la calculadora

La herramienta de presupuesto RF link codifica por colores el margen de enlace con un sistema de tres niveles:

Estos umbrales son deliberadamente conservadores. La UIT-R P.530-17 recomienda un margen de atenuación de 25 a 40 dB para los enlaces de microondas con una disponibilidad del 99,999%; el umbral verde de la calculadora es una regla general para cualquier servicio inalámbrico fijo, no para un objetivo.

Escenario 1: WiFi punto a punto de 2,4 GHz, 500 m

Parámetros:

• Potencia Tx 20 dBm, antena Tx 12 dBi (panel), pérdida de cable Tx 1 dB
• Frecuencia 2400 MHz, distancia 0,5 km
• Desvanecimiento por lluvia de 0 dB, atmosférico de 0,2 dB, puntual de 0,5 dB
• Antena Rx de 12 dBi, cable Rx de 1 dB, sensibilidad Rx de −85 dBm (802.11n típica en MCS15)

Abra este escenario en la calculadora.

Resultado: FSPL = 94,0 dB, EIRP = 31 dBm, potencia recibida = -53,7 dBm, margen de enlace = 31,3 dB (BUENO) , alcance máximo = 18 km con un margen de 0 dB.

Leer el resultado: un margen de 31,3 dB suena exagerado, pero el WiFi a 2,4 GHz en un entorno urbano pierde habitualmente entre 20 y 30 dB debido a la penetración de edificios, la multiruta y otros puntos de acceso. La pastilla verde es engañosa si la interpretas como «definitivamente funciona», es decir, las matemáticas basadas en el espacio libre indican que el enlace se cierra. Utilice el UIT-R P.1411 o el Okumura-Hata para comprobar la realidad de los despliegues urbanos.

Escenario 2: sensor LoRa IoT de 915 MHz, 10 km en una zona rural

Parámetros:

• Potencia Tx 20 dBm, antena Tx 2 dBi (látigo), cable Tx 0 dB
• Frecuencia 915 MHz, distancia 10 km
• Disminución de la lluvia de 0 dB, atmosférica de 0,1 dB, puntual de 0 dB (omnidireccional)
• Antena Rx de 6 dBi (pasarela terrestre), cable Rx de 2 dB, sensibilidad Rx de −137 dBm (SF12/125 kHz según Semtech SX1276)

Abra este escenario.

Resultado: FSPL = 111,7 dB, EIRP = 22 dBm, potencia recibida = −85,8 dBm, margen de enlace = 51,2 dB (BUENO) , alcance máximo = 3.547 km teóricos.

Lectura del resultado: el margen de 51 dB sobre el papel es lo que hace que el largo alcance de LoRa parezca mágico. En la práctica, la absorción de la vegetación (ITU-R P.833:0,4 dB/m a 900 MHz) y la intrusión en la zona de Fresnel roban entre 20 y 30 dB a 10 km a través del bosque. La cifra del «alcance máximo» de 3.547 km es un artefacto matemático de la propagación en el espacio libre; el verdadero rango rural de LoRa es de 15 a 30 km con una línea de visión clara, y hemos documentado un registro de LoRa de 700 km de satélite a tierra en una altitud donde Fresnel está despejado.

Escenario 3: Cubo amateur a 437 MHz, enlace descendente en órbita terrestre

Parámetros:

• Potencia Tx de 27 dBm (baliza de 0,5 W), antena Tx de −3 dBi (monopolo desplegado), cable Tx de 0 dB
• Frecuencia 437 MHz, distancia de 1930 km (rango de inclinación a 10° de altitud desde 500 km de altitud)
• Desvanecimiento por lluvia 0, atmosférico 0 dB, apuntando a 2 dB (antena terrestre lineal, nave espacial en caída = pérdida de polarización promediada)
• Antena Rx de 13 dBi (Yagi de 5 elementos), cable Rx de 2 dB, sensibilidad Rx de −130 dBm (RTL-SDR + LNA, ancho de banda de 10 kHz)

Abra este escenario.

Resultado: FSPL = 151,0 dB, EIRP = 24 dBm, potencia recibida = −119,0 dBm, margen de enlace = 11,0 dB (BUENO) , alcance máximo = 6.879 km con un margen de 0 dB.

Al leer el resultado: 11 dB es verde en la tabla, pero ajustado para un satélite: el número de elevación de 10° es el «peor de los casos» de un pase (borde de paso). En el cenit (ángulo cenital de 0°, rango de inclinación de 500 km), el FSPL cae a 139,2 dB, lo que da un margen de 23 dB. Por lo tanto, este enlace funciona en el cenit con una señal fuerte y se cierra en el horizonte con una señal apenas audible. Ese es el criterio de aceptación para los equipos aficionados de CubeSat que planean decodificar las balizas AX.25. Utilice la calculadora de zonas de Fresnel para confirmar la distancia en el horizonte.

Escenario 4: transmisión GEO de 12 GHz a una antena parabólica

Parámetros (banda Ku DVB-S2 directo al hogar):

• Potencia Tx de 52 dBw = 82 dBm (EIRP de satélite por transpondedor), antena Tx de 0 dBi (ya en EIRP), cable Tx de 0 dB
• Frecuencia de 12000 MHz, distancia de 39300 km (inclinación a una elevación de 30° con respecto a la posición geográfica)
• Disminución de la lluvia de 4 dB (disponibilidad del 99,9%, zona templada, ITU-R P.838-3)
• 0,5 dB atmosféricos, apuntando a 1 dB (desalineación de la antena parabólica consumida)
• Antena Rx de 35 dBi (antena parabólica de 60 cm a 12 GHz, eficiencia del 60%), cable Rx de 0,5 dB, sensibilidad Rx de -102 dBm (DVB-S2 QPSK 3/4 a 27,5 Msym/s)

Abra este escenario.

Resultado: FSPL = 205,9 dB, EIRP = 82 dBm, potencia recibida = −94,9 dBm, margen de enlace = 7,1 dB (ADVERTENCIA) , alcance máximo ≈ 89 000 km a 0 dB.

Leyendo el resultado: la pastilla amarilla es correcta en este caso. Los sistemas DVB-S2 modernos tienen como objetivo un margen de 7 a 10 dB en cielo despejado para sobrevivir al 99,9% de disponibilidad de lluvia; pasar al 99,99% (nueve nueves más de tiempo de funcionamiento) suele requerir entre 5 y 8 dB adicionales, lo que se consigue mediante codificación adaptativa (DVB-S2X ACM) en lugar de utilizar una antena más grande. En la banda Ku, la lluvia es la palanca de diseño dominante.

Iteraciones comunes después del primer resultado

La mayoría de los diseños no se cierran al primer intento. La codificación de URL de la calculadora facilita la bifurcación de escenarios:

• ¿El enlace no se cierra (pastilla roja)? Agregue 3 dB de ganancia de antena a cada lado, lo que equivale a 2 veces la potencia de transmisión, pero normalmente es más económico. O reduzca la velocidad de datos (umbral de sensibilidad más bajo) pasando a una modulación de orden inferior.
• ¿Amplio margen (una píldora muy verde)? Compruebe si puede reducir el tamaño de la antena, reducir la potencia de transmisión para aumentar la duración de la batería o aumentar la velocidad de datos aumentando la modulación (16-QAM → 64-QAM).
• Control de cordura: duplica la distancia: el FSPL debería aumentar exactamente 6 dB. Duplique la frecuencia, es lo mismo. Si no es así, has introducido la frecuencia en las unidades equivocadas en alguna parte.

Utiliza otras herramientas: una vez que hayas recibido la energía, ponla en la calculadora BER o SNR para confirmar que el módem alcanza la tasa de errores de bits deseada. O utilice Noise Figure Cascade para calcular la sensibilidad efectiva a partir de las hojas de datos de los componentes, en lugar de calcularla con un único número de sensibilidad del receptor.

Límites del modelo de espacio libre

Esta calculadora parte del supuesto de que se propaga en el espacio libre: no hay curvatura de la Tierra, no hay terreno, no hay edificios, no hay absorción por parte de la atmósfera más allá de lo que se escribe. Es correcta en tres casos:

1. Línea de visión en el vacío o en una atmósfera despejada: satélite a satélite, satélite a tierra por encima de los 10° de elevación, globo a gran altitud a tierra
2. Laboratorio anecoico: mediciones de cámara, calibración de antenas
3. Para comprobar la cordura en el mejor de los casos: calcule siempre primero el número de espacio libre y luego reste las pérdidas específicas del entorno

Para la propagación terrestre con obstrucciones, coloque una de las siguientes capas:

• Modelo Okumura-Hata — 150 MHz — 1,5 GHz en zonas urbanas/suburbanas/rurales
• COST-231 Hata — Extensión de Okumura-Hata entre 1,5 y 2 GHz
• ITU-R P.1411: entornos picocelulares exteriores de corto alcance
• ITU-R P.1812: pérdida de trayectoria en función del terreno superior a 30 MHz
• Ray-trace/FDTD: para geometrías de edificios específicas

La calculadora de zonas de Fresnel es la herramienta complementaria para comprobar si la trayectoria en la línea de visión tiene realmente espacio libre para superar los obstáculos. La causa más común de los fallos en los enlaces terrestres es una distancia insuficiente en el primer Fresnel, que se manifiesta como una pérdida de difracción de 6 a 15 dB que las matemáticas del espacio libre ignoran por completo.

Resumen

• Una calculadora de presupuesto RF Link en línea es la herramienta adecuada cuando su pregunta se ajusta a Friis: aritmética de potencia recibida con propagación uniforme en espacios libres y términos de pérdida proporcionados por el usuario.
• Las cuatro salidas (FSPL, EIRP, potencia recibida y margen de enlace) se derivan de las mismas 11 entradas; no hay ningún modelo oculto.
• Las píldoras verdes indican un margen de enlace de ≥ 10 dB: suficiente para una conexión inalámbrica fija a cielo despejado, poco apta para los satélites y puede inducir a error en entornos urbanos densos.
• Para cualquier actividad que vaya más allá del espacio libre, añada un término de pérdida específico para el entorno o utilice una herramienta que tenga en cuenta los modelos de propagación.
• Comparta escenarios a través de una URL; diseñe sucursales rápidamente; encadene con calculadoras de sensibilidad y BERs antes de utilizar el hardware.