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RF リンクバジェット計算ツール

無料のRFリンクバジェット計算ツール：送信電力、アンテナゲイン、周波数、距離を入力して、受信信号レベル、リンクマージン、および最大範囲を取得します。衛星、地上、IoT リンクに対応しています。

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公式

Pr=Pt+Gt+Gr−FSPL−Lmisc,FSPL=20log⁡10(4πdfc)P_r = P_t + G_t + G_r - FSPL - L_{misc}, \quad FSPL = 20\log_{10}\left(\frac{4\pi d f}{c}\right)

参考: Friis, "A Note on a Simple Transmission Formula" (1946)

d— 距離 (m)
λ— 波長 (c/f) (m)
EIRP— Pₜₓ + Gₜₓ − Lₜₓ (dBm)
Pᵣₓ— EIRP − FSPL − L_rain − L_atm − L_pt + Gᵣₓ − Lᵣₓ (dBm)
L_rain— レインフェード (ITU-R P.838) (dB)
L_atm— 大気/気体吸収 (dB)
L_pt— アンテナポインティング/ミスアライメントロス (dB)

仕組み

RFリンクバジェット分析では、ワイヤレスシステムの受信信号パワーを計算します。電気通信エンジニア、衛星システム設計者、IoT開発者は、これを使用して、無線リンクが十分なマージンで閉じるかどうかを判断します。フリイス伝送方程式 P_rx = P_tx + G_tx + G_rx - FSPL- L_misc が基礎となります。ここで、ITU-R P.525-4によるとFSPL = 20*log10 (4*pi*d*f/c) となります。

自由空間経路損失は、距離が 2 倍になるごとに 6 dB（逆二乗の法則）、周波数が 2 倍になるごとに 6 dB 増加します。2.4 GHz と 1 km では、FSPL は 100.1 dB です。5.8 GHz と 1 km では、FSPL は 107.7 dB です。これが、送信電力が同じであれば、5 GHz の WiFi が 2.4 GHz よりも通信範囲が短い理由を説明しています。スコルニックの「レーダーハンドブック」（第3版）によると、大気吸収は2GHzで0.01 dB/km増加するが、60 GHzでは0.2 dB/km増加する（酸素共鳴）。 リンクマージン= P_rx - P_sensitivity はフェージングに対する安全バッファーを表しています。ITU-R P.530-17では、99.999% の可用性マイクロ波リンクに対して25～40dBのフェードマージンを推奨しています。モバイルシステムの場合、レイリーフェージングにより 20 ～ 30 dB の信号変動が発生します。LTE システムは、電力制御機能を備えた 8 ～ 12 dB のマージンが得られるように設計されています。GPS 受信機は -130 dBm の感度で動作し、25 dB リンクマージン以上の感度で動作し、全世界のカバレッジを確保します。

エンジニアが完全な RF シミュレーションソフトウェアよりもリンクバジェット計算ツールを選ぶ理由

Keysight ADS、Cadence AWR、Ansys HFSSなどの商用RF設計環境は、3D電磁シミュレーションと非線形回路解析に優れていますが、リンクバジェットは基本的にスプレッドシート上の代数です。すべてのdBは加法です。リンク予算を管理しているチームにとっての本当のボトルネックは、反復速度です。距離、周波数、またはアンテナゲインを微調整すると、マージンがすぐに更新されます。URL を共有できるシナリオを備えたブラウザベースの計算機は、予算編成作業の 90% を反復あたり 10 秒未満でカバーします。一方、商用ツールは、変調、コーディング、または伝播レイトレーシングによる協調シミュレーションが必要な 10% に限定されています。

この計算ツールと完全伝播モデルのどちらを使うべきか

このツールは、Friis 自由空間モデル (ITU-R P.525-4) に、ユーザー指定の大気/雨/ポインティング損失項を加えたものです。(a) 詳細設計の前に一次サニティチェックを行う必要がある場合、(b) 周波数帯域またはアンテナゲインを迅速に比較する必要がある場合、(c) IoT/LPWAN導入のための桁違いの範囲推定が必要な場合、または (d) Friis方程式を教える必要がある場合に適しています。雑然とした環境でのパスロスについては、マージン番号を信頼する前に、奥村ハタ（都市部で150MHz〜1.5GHz）、COST-231ハタ（1.5〜2 GHz）、またはITU-R P.1411（短距離都市）を重ねてください。

計算例

計算例 1 — 915 MHz LoRa リンク、10 km ルーラル

問題:10 km の範囲で 915 MHz LoRa リンクを設計し、地方の地形では 99% の可用性を実現します。

ITU-R P.525-4 自由空間モデルを使用するソリューション:

  1. 送信電力:20 dBm (100 mW、FCC パート 15.247 の制限)
  2. 送信アンテナ:6 dBi 全方向 (タワーに昇降した状態)
  3. 受信アンテナ:3 dBi (ハンドヘルドデバイス)
  4. ケーブル損失:合計 2 dB (送信側の LMR-400)
  5. 自由空間伝搬損失: FSPL = 20*log10 (10000) + 20*log10 (915e6) + 20*log10 (4*pi/299792458) = 111.7 dB
  6. その他の損失:6 dB ベゲテーション/ディフラクション (ITU-R P.833)
  7. フェードマージン:10 dB (奥村-秦モデルで 99% のアベイラビリティ)
  8. 必要な P_rx: 20 + 6 + 3 - 2 - 111.7 - 6 - 10 = -100.7 dBm
9。SF12/125kHz での LoRa 感度:-137 dBm (セムテック SX1276 データシート)
  1. リンクマージン: -100.7-(-137) = 36.3 dB — リンクはかなりのマージンで閉じる

SF7（感度-123dBm）では、マージンは22.3dBに低下しますが、データレートは293ビット/秒から5.5キロビット/秒に増加します。

計算例 2 — アマチュアキューブサット、437 MHz UHF ダウンリンク

問題:高度500 kmの 3U CubeSat が、437 MHz の AX.25 パケットを 13 dBi の八木を持つ地上局にビーコンします。

入力: 1。送信電力:27 dBm (0.5 W、標準的な CubeSat ビーコン)

  1. 宇宙船アンテナ:-3 dBi (1/4 波モノポールパターン、軸外)
  2. グランドアンテナ:13 dBi (5 素子八木)
  3. グランド側のケーブル損失:2 dB (30 フィート LMR-400 @ 437 MHz)
  4. 標高10度での傾斜範囲:約1,930 km (高度500 kmからのジオメトリ)
  5. 437 MHz、1,930 kmでの FSPL: 20*log10 (4*pi*1.93e6/0.686) = 151.0 dB
  6. 偏光損失:3 dB (リニアグランドアンテナ、タンブリング宇宙船)
  7. 電離層シンチレーション:2 dB (低緯度、太陽最大値)

予算:27 + (-3) + 13-2-151.0-3-2 = -121.0 dBm を受信しました。

一般的なソフトウェア定義無線 (LNA 搭載の RTL-SDR) は、437 MHz で 10 kHz の帯域幅で最大 130 dBm の感度を示します。リンクマージン= -121-(-130) = 9 dB — LEOパスエッジではわずかで、天頂付近では強い。

重要な教訓は、151 dB の FSPL という用語が優勢だということです。送信電力を 2 倍 (3 dB) にしてもほとんど効果はありません。モノポールから 0 dBi パッチアンテナ(3 dB ゲイン) に切り替える場合も同様に役立ちます。優れたグランドアンテナ (20 dBi vs 13 dBi 八木) は、マージンに直接 7 dB 増加します。

計算例 3 — GEO ブロードキャスト、12 GHz Ku バンドダウンリンク

問題:静止軌道 (35,786 km) から60 cmのコンシューマー・ディッシュ・ディッシュへの家庭向け衛星テレビ放送。

入力: 1。衛星 EIRP: 52 dBW = 82 dBm (一般的な GEO Ku ブロードキャストトランスポンダー)

  1. コンシューマー・ディッシュ・ゲイン:約 35 dBi (12 GHz で 60 cm、効率 60%)
  2. LNB ノイズ指数は 0.8 dB、つまり G/T ≈13 dB/K システムに変換されます。ここでは実効ゲインモデルを使用します。
  3. 標高30度での傾斜範囲:約39,300キロメートル
  4. 12 GHz、39,300 km での FSPL: 20*log10 (4*pi*3.93e7/0.025) = 205.9 dB
  5. レインフェード (ITU-R P.838-3、温帯ゾーン、99.9% アベイラビリティ): 4 dB
  6. 大気吸収 (O2 + H2O 海面): 0.5 dB
  7. ポインティングロス (コンシューマーディッシュの位置ずれ): 1 dB

予算:82 + 35-205.9-4-0.5-1 = -94.4 dBm を受け取りました。

27.5 Msym/sでの QPSK 3/4 の標準的な DVB-S2 レシーバー感度:~-102 dBm。リンクマージン= -94.4-(-102) = 7.6 dB、99.9% の可用性。

重要な教訓：Kuバンド以上では、レインフェードがデザインの「要因」です。可用性を 99.9% から 99.99% へ (停止時に 9 ナイン追加) に移行すると、通常、レインマージンが 5 ～ 8 dB 増加します。これは多くの場合、大型のディッシュではなくアダプティブコーディング (DVB-S2X) を使用することで実現されます。

実践的なヒント

  • ✓固定ワイヤレスの場合は最小リンクマージンが10〜15 dB、マルチパスフェージングの影響を受けるモバイルシステムでは20〜30 dB、重要なインフラストラクチャの場合は30〜40 dBの設計（ITU-R P.530）
  • ✓環境に適したITU-R伝播モデルを使用してください:P.525 (自由空間)、P.1411 (都市)、P.833 (植生)、P.676 (大気)、P.838 (雨量減衰)
  • ✓ドライブテストまたはサイト調査でリンクバジェットの予測を検証 — 実際の伝播は、地域の地形や建物の影響により、モデルと5～15 dB異なる場合があります
  • ✓シナリオ URL (ツールバーのボタン) をコピーしてデザインレビューノートに貼り付けます。すべての入力がラウンドトリップされるので、レビュー担当者はまったく同じ計算を実行できます。
  • ✓反復的なトレードスタディを行う場合は、この計算機をノイズフィギュアカスケード計算機と組み合わせて、フロントエンドのLNAゲインとノイズ指数が実効感度数値をどのように変化させるかを確認してください。

よくある間違い

  • ✗環境補正なしで陸域リンクに自由空間経路損失を使うこと — 都市環境では10〜30dB（ITU-R P.1411）、郊外では6〜15dB、植生のある農村部では3〜6dB（ITU-R P.833）を加える
  • ✗ケーブルとコネクタの損失は無視してください。30 m の LMR-400 を 2.4 GHz で稼働させると 3.5 dB の損失が 3.5 dB、N コネクタが 4 つあると 0.6 dB 増加し、合計で 4.1 dB がリンクバジェットから除外されることがよくあります
  • ✗アンテナゲインと EIRP の混同について — 送信電力 + アンテナゲイン = EIRP。規制上の制限 (FCC Part 15) では通常、送信電力だけではなく EIRP が規定されています。
  • ✗周波数に依存する大気吸収は無視できます。10 GHz 未満では無視できますが、ITU-R P.676 によると 60 GHz（15 dB/km）および 24 GHz（0.2 dB/km）では重要です。
  • ✗衛星リンクや高架リンクに直線の水平距離を使用する場合、傾斜範囲が重要です。500 kmのLEO衛星の標高30度の場合、傾斜範囲は約900 kmで、これは高度のほぼ2倍です。傾斜範囲を過小評価すると、FSPL が 3 ～ 6 dB 低く見積もられます。
  • ✗モバイルプラットフォームやタンブリングプラットフォームでの偏波損失の解消 — 任意の向きの宇宙船から受信した固定リニア地上アンテナの損失は、平均でゼロではなく最大で3 dBです。

よくある質問

dBmは1ミリワットを基準とした電力:P (dBm) = 10*log10(P_mW). 共通値:0dBm = 1mW、10dBm = 10mW、20dBm = 100mW、30dBm = 1W。レシーバーの感度は通常マイナスです。-100dBm = 0.1pW (WiFi)、-130dBm = 0.1 fW (GPS)。dBmスケールでは、電力レベルの乗算/除算ではなく、単純な加算/減算によってリンクバジェット演算を行うことができます。
周波数が f1 から f2 に増加すると、空き領域パス損失が 20*log10 (f2/f1) dB 増加します。周波数を 2 倍にすると 6 dB の損失が追加されます。1 km 時:433 MHz = 85.2 dB FSPL、915 MHz = 91.7 dB、2.4 GHz = 100.1 dB、5.8 GHz = 107.7 dB。433 MHz と 5.8 GHz の 22.5 dB の差が、サブ GHz の IoT プロトコル (LoRa、Sigfox) が同じ送信電力で WiFi よりもはるかに長い通信範囲を実現する理由を説明しています。
このカリキュレータは、ITU-R P.525に準拠した理論上の空き領域ベースラインを示します。実際の環境では、経験的な損失係数を追加します。屋内オフィス:+20～+40 dB (壁、床)、都市部屋外:+20～+30 dB (建物、車両)、郊外:+10～+20 dB、農村部の開放度:+3～+10 dB (植生、地形)。詳細なモデリングには、特定の建物のレイアウトに合わせて、奥村畑（150 MHz〜1.5 GHz アーバン）、COST-231（1.5〜2 GHz）、またはレイトレーシングを使用してください。
変調と帯域幅によって異なります。WiFi (OFDM、20 MHz 帯域幅): -65 dBm 優良、-75 dBm 良好、-85 dBm 限界値。セルラー LTE: -80 dBm 優秀、-100 dBm の使用可能帯域幅。LoRa (SF12、125 kHz): -137 dBm の感度。GPS: 公称値-130dBm。ブルートゥース:-70 dBm 優秀、-90 dBm 使用可能。WiFiとLoRa感度の60dB以上の違いが、レンジとスループットのトレードオフを説明しています。LoRaは300bpsで15kmに達し、WiFiは100Mbpsで100mに達します。
アンテナゲインはリンクバジェットに直接加算されます。6 dB のパス損失は距離の 2 倍に等しいため、+3 dBi = 範囲が 2 倍になります（感度が一定の場合）。24 dBi のパラボリック・ディッシュは 0 dBi のオムニよりも 24 dB 多いリンク・バジェットを提供します。これは、経路損失を 1 km から 60 m に減らすか、送信電力を 250 倍に増やすことに相当します。高ゲインアンテナでは、カバレッジエリアと通信範囲が犠牲になります。24 dBi ディッシュのビーム幅は 10 度で、正確な位置合わせが必要です。
リンクバジェット方式:利用可能なパスロス= P_tx + G_tx + G_rx - P_sensitivity - マージン。例:20 dBm の送信、各サイドに 2 dBi アンテナ、-137 dBm の感度 (SF12)、20 dB マージン = 20 + 2-(-137)-20 = 141 dB の許容FSPL。理論上、D = 618 km で FSPL = 20*log10 (d) + 20*log10 (433e6)-147.55 = 141 dB を解きます。地形のある現実世界:田園地帯 10 ～ 30 km、郊外 2 ～ 5 km、都市 0.5 ～ 2 km。サブ GHz の利点:2.4 GHz で同じ計算を行っても、FSPL が 15 dB 高くなるため、理論上は 112 km しか得られません。
ITU-R P.530-17は、アベイラビリティごとにフェードマージン要件を定義しています。99.9％のアベイラビリティ：15〜20dBのマージン、99.99％：25〜30デシベル、99.999％：35〜40デシベル。マージンは、マルチパスフェーディング、雨による減衰 (10 GHz を超えると大幅に減衰)、機器の経年劣化、および大気の変化を考慮に入れています。温暖な気候での 10 km、18 GHz リンクの場合、マルチパス 15 dB + 8 dB の雨（0.01% 超過）+ 3 dB の機器 = 合計 26 dB のマージン、99.99% の可用性を実現します。
アンテナの高さはフレネルゾーンのクリアランスに影響しますが、自由空間の損失は直接影響しません。中間経路における最初のフレネルゾーンの半径:r1 = sqrt (ラムダ* d/4)。5.8 GHz の 10 km リンクの場合:r1 = sqrt (0.052 * 2500) = 11m。地形がこのゾーンの 40% 以上を遮る場合は、6dB 以上の回折損失を加算します。フレネルゾーンがクリアかどうかは、高さによって決まります。クリアランスの不足は、ポイントツーポイントシステムにおけるリンク障害の最も一般的な原因です。経験則では、アンテナの高さは、経路の中間にある障害物よりも r1 のクリアランスを確保する必要があります。
リンクマージン = P_received - P_sensitivity (合計安全バッファ)。フェードマージンは信号フェージングイベント専用の部分です。例:30 dB のリンクマージンが割り当てられる可能性があるのは、20 dB のフェードマージン (マルチパス、レイン)、5 dB の実装マージン (コンポーネントの許容誤差、経時変化)、5 dB の干渉マージンです。フェードマージンはアベイラビリティ統計を決定します。レイリーフェージングによる 20 dB のフェードマージンでは、ITU-R P.530によると約 99.9% の可用性が得られます。フェードマージンの指定不足は、断続的なリンク障害の主な原因です。
はい。このページの機能はすべて無料で、ブラウザで実行され、サインアップは不要です。シナリオは URL パラメータを往復するので、デザインを同僚と共有するにはコピーアンドペーストで済みます。クラウドに保存されたシナリオ、REST によるバッチ計算、高度な非同期シミュレーション (モンテカルロ、Touchstone エクスポート) には Pro 層と API 層がありますが、リンクバジェット計算自体は常に無料です。
この計算機は、Friis + ITU-R P.525自由空間モデルを実装し、ユーザーが入力した大気/雨/ポインティング損失の項を使用します。これは、商用ツールのファーストパス予算ワークシートとほぼ同じです。商用パッケージには、時変衛星ジオメトリ（AGI STKクラウド、2026年3月の日没まで）、地形データベースによる完全伝搬レイトレーシング、統合変調性能（BER対Eb/No曲線）、および規制コンプライアンスレポートが追加されています。反復的な設計と教育の場合、ブラウザベースのアプローチの方が高速です。運用ミッション計画では、商用ツールがライセンスコストを獲得します。rftools.ioには、事前設定された軌道、AMSAT CSVエクスポート、ITU-R P.618雨モデルを追加する非同期衛星リンク予算ツール（/tools/sat-link-budget）も同梱されています。
はい。すべての計算ツールにはカードエクスポート (シナリオが埋め込まれた状態で共有可能な 1200x630 PNG) と CSV/BOM エクスポーターがあります。S パラメータ互換のフォーマットについては、RF カスケードツール (/tools/rf-cascade) を使用してください。このツールは、ステージごとに Touchstone .s2p のアップロードを受け付け、.sNp を組み合わせてエクスポートします。Python または MATLAB パイプラインの場合、Pro API (/docs/api) は JSON 結果を /api/py/v1/calculate 経由で提供します。計算方法は同じで、自動化も可能です。
ここでの最大範囲は、自由空間の伝播を前提としています。障害物も、マルチパスも、干渉も、フレネルゾーンへの侵入もありません。実際の環境では通常、モデルと比較して 10 ～ 30 dB の損失が増えます。モデルでは、地形によってレンジが 3 ～ 30 倍短縮されます。現実的な現場推定を行うには、(a) シナリオに合わせて「大気損失」に環境損失項を追加するか (上記の「非自由空間」に関するよくある質問を参照)、(b) 地上近くの地上リンクには二線式地盤跳ね返りモデルを使用します。

方法論と参考文献

参考文献

  • A Note on a Simple Transmission Formula — Harald T. Friis, Proc. IRE 34(5), pp. 254–256 (1946)
  • ITU-R P.525-4 — Calculation of free-space attenuation リンク
  • ITU-R P.618-13 — Rain and atmospheric attenuation for Earth-space links リンク
  • Microwave Engineering, 4th ed. — David M. Pozar (2011), Chapter 14 — Wireless Communication Systems

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