Guide du calculateur de budget RF Link : espace libre, marge friis et marge de décoloration

Pourquoi un calculateur de budget par liaison RF en ligne au lieu d'une feuille de calcul

Les budgets de liens sont de l'algèbre. Chaque dB est additif : Pt + Gt + Gr − FSPL − L_misc = Pr. Vous pouvez le faire dans Excel ou sur du papier millimétré. La raison d'utiliser un [calculateur de budget RF link] dédié (/calculators/rf/rf-link-budget/) est la vitesse d'itération : vous modifiez une entrée, vous voyez les six sorties mises à jour en moins de 500 ms et vous copiez une URL partageable dans votre revue de conception. La calculatrice de rftools.io fonctionne entièrement dans votre navigateur sans inscription. Le temps entre la question et la réponse est donc mesuré en frappes, et non en minutes.

Les packages de simulation RF complets (Keysight ADS, Cadence AWR, MATLAB RF Toolbox, AGI STK) résolvent des problèmes que l'équation du budget des liaisons ne peut pas résoudre : géométrie des satellites variant dans le temps, traçage des rayons de propagation via des bases de données de terrain, modélisation d'amplificateurs non linéaires. Si votre question correspond à l'équation de Friis, ces outils sont exagérés. Si votre question nécessite l'un de ces éléments, une calculatrice est insuffisante. Choisissez l'outil adapté à la tâche à effectuer.

L'équation résolue par la calculatrice

où

avec $d$ la distance en mètres, $f$ la fréquence en Hz et $c$ la vitesse de la lumière. La calculatrice expose chaque terme sous la forme d'une entrée nommée afin que vous puissiez suivre l'arithmétique sans magie cachée.

Chaque résultat est dérivé uniquement de ces entrées :

• EIRP = $P_t + G_t - L_{tx}$ (ce que rayonne l'antenne)
• Puissance reçue = EIRP + $G_r - L_{rx}$ − FSPL − pertes supplémentaires
• Marge de liaison = puissance reçue − sensibilité du récepteur
• La plage maximale résout l'équation de Friis pour $d$ lorsque la marge de liaison est égale à 0 dB

Lecture des pilules de sortie de la calculatrice

L' outil de budgétisation des liaisons RF code la couleur de la marge de liaison à l'aide d'un système de seuil à trois niveaux :

Scénario 1 — Wi-Fi point à point 2,4 GHz, 500 m

Paramètres :

• Puissance Tx 20 dBm, antenne Tx 12 dBi (panneau), perte de câble Tx 1 dB
• Fréquence 2400 MHz, distance 0,5 km
• Atténuation due à la pluie 0 dB, atmosphérique 0,2 dB, pointe à 0,5 dB
• Antenne Rx 12 dBi, câble Rx 1 dB, sensibilité Rx -85 dBm (norme 802.11n sur MCS15)

Résultat : FSPL = 94,0 dB, EIRP = 31 dBm, puissance reçue = -53,7 dBm, marge de liaison = 31,3 dB (BONNE) , portée maximale = 18 km avec une marge de 0 dB.

Lecture de la sortie : une marge de 31,3 dB semble exagérée, mais le WiFi à 2,4 GHz en environnement urbain perd régulièrement de 20 à 30 dB à cause de la pénétration des bâtiments, des trajets multiples et d'autres points d'accès. La pilule verte est trompeuse si vous l'interprétez comme « fonctionne définitivement ». Cela signifie que le calcul de l'espace libre indique que le lien se ferme. Utilisez l'UIT-R P.1411 ou Okumura-Hata pour vérifier la réalité des déploiements urbains.

Scénario 2 — capteur IoT LoRa 915 MHz, 10 km en zone rurale

Paramètres :

• Puissance Tx 20 dBm, antenne Tx 2 dBi (fouet), câble Tx 0 dB
• Fréquence 915 MHz, distance 10 km
• Atténuation due à la pluie 0 dB, atmosphérique 0,1 dB, pointe à 0 dB (omni)
• Antenne Rx 6 dBi (passerelle de terre), câble Rx 2 dB, sensibilité Rx -137 dBm (SF12/125 kHz pour Semtech SX1276)

Résultat : FSPL = 111,7 dB, EIRP = 22 dBm, puissance reçue = −85,8 dBm, marge de liaison = 51,2 dB (BONNE) , portée maximale = 3 547 km théorique.

Lecture de la sortie : la marge de 51 dB sur le papier est ce qui donne à la longue portée de LoRa un aspect magique. En pratique, l'absorption de la végétation (UIT-R P.833 : 0,4 dB/m à 900 MHz) et l'intrusion dans la zone de Fresnel volent de 20 à 30 dB à 10 km à travers la forêt. La « portée maximale » de 3 547 km est un artefact mathématique de la propagation en espace libre ; la portée rurale réelle de la LoRa est de 15 à 30 km avec une ligne de visée claire, et nous avons documenté un enregistrement LoRa satellite-sol de 700 km à une altitude où Fresnel est clair.

Scénario 3 — CubeSat amateur 437 MHz, liaison descendante LEO

Paramètres :

• Puissance Tx 27 dBm (balise 0,5 W), antenne Tx −3 dBi (monopôle déployé), câble Tx 0 dB
• Fréquence 437 MHz, distance 1930 km (plage d'inclinaison à 10° d'altitude à partir de 500 km d'altitude)
• Atténuation de la pluie 0, 0 dB atmosphérique, pointage 2 dB (antenne linéaire au sol, engin spatial en culbute = perte de polarisation moyenne)
• Antenne Rx 13 dBi (Yagi à 5 éléments), câble Rx 2 dB, sensibilité Rx -130 dBm (RTL-SDR + LNA, bande passante 10 kHz)

Résultat : FSPL = 151,0 dB, EIRP = 24 dBm, puissance reçue = −119,0 dBm, marge de liaison = 11,0 dB (BONNE) , portée maximale = 6 879 km avec une marge de 0 dB.

Lecture de la sortie : 11 dB, c'est vert sur la pilule, mais c'est trop faible pour un satellite. L'altitude de 10° est le pire des cas d'une passe (bord de passe). Au zénith (angle zénithal de 0°, plage d'inclinaison de 500 km), le FSPL chute à 139,2 dB, soit une marge de 23 dB. Cette liaison fonctionne donc au zénith avec un signal fort et se ferme à l'horizon avec un signal à peine audible. C'est le critère d'acceptation pour les équipes amateurs de CubeSat qui planifient le décodage des balises AX.25. Utilisez le calculateur de zone de Fresnel pour confirmer le dégagement de l'horizon.

Scénario 4 — Diffusion GEO 12 GHz vers une antenne parabolique grand public

Paramètres (DVB-S2 en bande Ku, direct à domicile) :

• Puissance Tx 52 dBW = 82 dBm (EIRP satellite par transpondeur), antenne Tx 0 dBi (déjà en EIRP), câble Tx 0 dB
• Fréquence 12000 MHz, distance 39300 km (inclinaison à 30° d'altitude par rapport à GEO)
• Atténuation à la pluie 4 dB (disponibilité de 99,9 %, zone tempérée, UIT-R P.838-3)
• 0,5 dB atmosphérique, pointant 1 dB (mauvais alignement de l'antenne parabolique)
• Antenne Rx 35 dBi (antenne de 60 cm à 12 GHz, efficacité de 60 %), câble Rx 0,5 dB, sensibilité Rx -102 dBm (DVB-S2 QPSK 3/4 à 27,5 Msym/s)

Résultat : FSPL = 205,9 dB, EIRP = 82 dBm, puissance reçue = −94,9 dBm, marge de liaison = 7,1 dB (AVERTISSEMENT) , portée maximale ≈ 89 000 km à 0 dB.

Lecture du résultat : la pilule jaune est correcte ici. Les systèmes DVB-S2 modernes ciblent une marge de ciel clair de 7 à 10 dB pour survivre à une disponibilité de 99,9 % en cas de pluie ; passer à 99,99 % (neuf heures de disponibilité supplémentaires) nécessite généralement une augmentation de 5 à 8 dB, obtenue grâce à un codage adaptatif (DVB-S2X ACM) plutôt qu'à une antenne parabolique plus grande. Chez Ku-band, la pluie est le principal levier de conception.

Itérations courantes après le premier résultat

La plupart des designs ne se ferment pas du premier coup. Le codage des URL de la calculatrice permet de créer rapidement des scénarios de branche :

• Le lien ne se ferme pas (pilule rouge) ? Ajoutez 3 dB de gain d'antenne de chaque côté, ce qui équivaut à une puissance d'émission multipliée par 2, mais généralement moins cher. Ou réduisez le débit de données (seuil de sensibilité inférieur) en passant à une modulation d'ordre inférieur.
• Beaucoup de marge (pilule très verte) ? Vérifiez si vous pouvez réduire la taille de l'antenne, réduire la puissance d'émission pour prolonger la durée de vie de la batterie ou augmenter le débit de données en augmentant la modulation (16-QAM → 64-QAM).
• Contrôle de santé : doublez la distance : le FSPL devrait augmenter d'exactement 6 dB. Doublez la fréquence, c'est pareil. Si ce n'est pas le cas, vous avez saisi la fréquence dans les mauvaises unités quelque part.

Associez d'autres outils : une fois que vous avez reçu une alimentation, introduisez-la dans le calculateur BER vs SNR pour confirmer que le modem atteint le taux d'erreur binaire cible. Ou utilisez Noise Figure Cascade pour calculer la sensibilité effective à partir des fiches techniques des composants plutôt qu'à partir d'un seul numéro de sensibilité du récepteur.

Limites du modèle en espace libre

Ce calculateur suppose une propagation dans l'espace libre : pas de courbure de la Terre, pas de terrain, pas de bâtiments, pas d'absorption par l'atmosphère au-delà de ce que vous saisissez. Elle est correcte dans trois cas :

1. Ligne de visée dans le vide ou dans une atmosphère claire — satellite vers satellite, satellite vers sol au-dessus de 10° d'altitude, ballon à haute altitude par rapport au sol
2. Laboratoire anéchoïque — mesures en chambre, étalonnage des antennes
3. Dans le meilleur des cas, calculez toujours d'abord le nombre d'espace libre, puis soustrayez les pertes spécifiques à l'environnement

Pour la propagation terrestre avec obstructions, superposez l'une des couches suivantes :

• Modèle Okumura-Hata — 150 MHz — 1,5 GHz en milieu urbain/suburbain/rural
• COST-231 Hata — Extension d'Okumura-Hata entre 1,5 et 2 GHz
• ITU-R P.1411 — environnements picocellulaires extérieurs à courte portée
• ITU-R P.1812 — perte de chemin sensible au terrain au-dessus de 30 MHz
• Ray-tracing/FDTD — pour des géométries de bâtiments spécifiques

Le calculateur de zone de Fresnel est l'outil complémentaire qui permet de vérifier si votre trajectoire en ligne de mire possède réellement un dégagement au-dessus des obstacles. La cause la plus courante de défaillance des liaisons terrestres est un dégagement de Fresnel insuffisant, qui se manifeste par une perte de diffraction de 6 à 15 dB que les mathématiques de l'espace libre ignorent complètement.

Résumé

• Un calculateur de budget de liaison RF en ligne est l'outil idéal lorsque votre question correspond à Friis : arithmétique de la puissance reçue avec propagation uniforme en espace libre et termes de perte fournis par l'utilisateur.
• Les quatre sorties (FSPL, EIRP, puissance reçue, marge de liaison) sont dérivées des mêmes 11 entrées ; il n'existe pas de modèle caché.
• Les pastilles vertes indiquent une marge de liaison supérieure ou égale à 10 dB, ce qui est suffisant pour une connexion sans fil fixe par ciel clair, mais trop étroite pour un satellite, ce qui peut être trompeur dans les environnements urbains denses.
• Pour tout ce qui dépasse l'espace libre, ajoutez un terme de perte spécifique à l'environnement ou passez à un outil prenant en compte les modèles de propagation.
• Partagez des scénarios via une URL ; créez des branches rapidement ; enchaînez avec des calculateurs BER/sensibilité avant de passer au matériel.