RF 링크 버짓 계산기 가이드: 자유 공간, 프리스 및 페이드 마진

스프레드시트 대신 온라인 RF 링크 예산 계산기를 사용하는 이유

링크 버짓은 대수입니다.모든 dB에는 덧셈이 적용됩니다: Pt + Gt + Gr − FSPL − L_misc = Pr.엑셀이나 그래프 용지에서 이 작업을 수행할 수 있습니다.전용 RF 링크 예산 계산기를 사용하는 이유는 반복 속도 때문입니다. 입력 하나를 변경하고 500ms 이내에 6개 출력이 모두 업데이트되는 것을 확인한 다음 공유 가능한 URL을 설계 검토에 다시 복사합니다.rftools.io의 계산기는 가입 없이 전적으로 브라우저에서 실행되므로 질문에서 답변까지 걸리는 시간은 분이 아니라 키 입력 단위로 측정됩니다.

전체 RF 시뮬레이션 패키지 (키사이트 ADS, Cadence AWR, MATLAB RF Toolbox, AGI STK) 는 링크 버짓 방정식으로는 해결할 수 없는 문제, 즉 시간에 따라 변하는 위성 지오메트리, 지형 데이터베이스를 통한 전파 레이트레이싱, 비선형 증폭기 모델링 등을 해결합니다.질문이 Friis 방정식에 적합하다면 이러한 툴은 무용지물인 셈입니다.질문에 이 중 하나라도 필요하다면 계산기를 사용하는 것이 좋습니다.작업에 적합한 도구를 선택하세요.

계산기가 푸는 방정식

여기서

$d$ 거리 (미터), $f$ 주파수 (Hz), $c$ 광속.계산기는 각 항을 명명된 입력값으로 표시하므로 숨겨진 마법 없이 산술 연산을 추적할 수 있습니다.

모든 결과는 다음과 같은 입력값에서만 도출됩니다.

• EIRP = $P_t + G_t - L_{tx}$ (안테나가 방사하는 범위)
• 수신 전력 = EIRP + $G_r - L_{rx}$ − FSPL − 추가 손실
• 링크 마진 = 수신 전력 − 수신기 감도
• 최대 범위는 링크 마진이 0dB일 때 $d$ 에 대한 프리스 방정식을 해결합니다.

계산기의 출력 알약 읽기

RF 링크 버짓 툴기능은 3단계 임계값 시스템을 사용하여 링크 마진을 색상으로 구분합니다. 이러한 임계값은 의도적으로 보수적입니다.ITU-R P.530-17은 99.999% 가용성 마이크로파 링크에 대해 25-40dB 페이드 마진을 권장합니다. 계산기의 녹색 임계값은 대상이 아닌 모든 고정 무선 서비스에 대한 경험상 최소값입니다.

시나리오 1 — 2.4GHz WiFi 포인트-투-포인트, 500m

파라미터:

• 송신 전력 20 dBm, Tx 안테나 12 dBi (패널), Tx 케이블 손실 1 데시벨
• 주파수: 2400 메가헤르츠, 거리: 0.5 킬로미터
• 레인 페이드 0 데시벨, 대기 중 0.2 데시벨, 가리키는 0.5데시벨
• Rx 안테나 12dBi, Rx 케이블 1dB, Rx 감도 -85dBm (MCS15 기준 일반적인 802.11n)

계산기에서 이 시나리오를 여세요.

결과: FSPL = 94.0dB, EIRP = 31dBm, 수신 전력 = −53.7dBm, 링크 마진 = 31.3dB (GOOD) , 최대 범위는 0dB 여백에서 18km입니다.

출력: 31.3dB 마진을 읽으면 과하게 들리지만 도시 환경에서 2.4GHz의 WiFi를 사용하면 건물 관통, 다중 경로 및 기타 AP를 사용할 때 일반적으로 20-30dB 손실이 발생합니다.초록색 알약을 “확실히 효과가 있다”고 해석하면 오해의 소지가 있습니다. 즉, 자유 공간 계산에 따르면 링크가 닫힌다는 뜻입니다.ITU-R P.1411 또는 오쿠무라-하타를 사용해 도시 배치를 현실적으로 확인해 보세요.

시나리오 2 — 915MHz LoRa IoT 센서, 시골 지역 10km

파라미터:

• Tx 전력 20 dBm, Tx 안테나 2 dBi (휩), Tx 케이블 0 dB
• 주파수: 915 메가헤르츠, 거리: 10 킬로미터
• 레인 페이드 0 데시벨, 대기 중 0.1 데시벨, 방향 0 데시벨 (옴니)
• Rx 안테나 6dBi (그라운드 게이트웨이), Rx 케이블 2dB, Rx 감도 −137dBm (셈텍 SX1276 기준 SF12/125kHz)

이 시나리오 열기.

결과: FSPL = 111.7 dB, EIRP = 22dBm, 수신 전력 = −85.8dBm, 링크 마진 = 51.2 dB (GOOD) , 이론상 최대 범위 = 3,547km입니다.

출력 결과: 종이에 적힌 51dB의 여백은 LoRa의 장거리 주행거리를 마법처럼 보이게 합니다.실제로 숲을 통과하는 10km 지점에서 식생 흡수 (ITU-R P.833:900MHz에서 0.4dB/m) 와 프레넬 지대 침입은 20-30dB를 훔칩니다.3,547km의 “최대 범위” 수치는 자유 공간 전파의 수학적 결과입니다. 실제 LoRa 농촌 범위는 명확한 가시선 상태에서 15-30km이며, 프레넬이 맑은 고도에서 700km 위성-지상 LoRa 기록을 문서화했습니다.

시나리오 3 — 아마추어 큐브샛 437MHz, LEO 다운링크

파라미터:

• 송신 전력 27dBm (0.5W 비콘), Tx 안테나 −3dBi (전개 모노폴), Tx 케이블 0dB
• 주파수 437메가헤르츠, 거리 1930km (고도 500km 기준 고도 10°에서의 경사 범위)
• 레인 페이드 0, 대기 0dB, 가리키는 2dB (선형 접지 안테나, 텀블링 우주선 = 편광 손실 평균)
• Rx 안테나 13dBi (5엘리먼트 야기), Rx 케이블 2dB, Rx 감도 −130 dBm (RTL-SDR+ LNA, 10kHz 대역폭)

이 시나리오 열기.

결과: FSPL = 151.0dB, EIRP = 24dBm, 수신 전력 = −119.0dBm, 링크 마진 = 11.0dB (GOOD) , 최대 범위는 0dB 여백에서 6,879km입니다.

출력 판독: 11dB는 알약에서는 녹색이지만 위성에서는 작습니다. 고도 10°는 통과 지점 (통과 모서리) 의 경우최악의 경우입니다.천정 (천정 각도 0°, 경사 범위 500km) 에서 FSPL은 139.2dB까지 떨어지며, 이는 23dB의 마진을 제공합니다.따라서 이 링크는 천정에서는 신호가 강할 때 작동하고 수평선에서는 거의 들리지 않는 신호로 닫힙니다.이것이 AX.25 비콘 디코딩을 계획하고 있는 아마추어 CubeSat 팀의 수용 기준입니다.프레넬 존 계산기를 사용하여 수평선 클리어런스를 확인하십시오.

시나리오 4 — 소비자용 접시에 12GHz GEO 브로드캐스트

파라미터 (DVB-S2 Ku 대역 다이렉트 투 홈):

• Tx 전력 52dBW = 82dBm (트랜스폰더당 위성 EIRP), Tx 안테나 0dBi (이미 EIRP에 있음), Tx 케이블 0dB
• 주파수 12000MHz, 거리 39,300km (GEO로부터 고도 30°로 기울어진 상태)
• 레인 페이드 4 데시벨 (99.9% 가용성, 온대 구역, ITU-R P.838-3)
• 대기 중 0.5dB, 1dB를 가리키고 있음 (소비자용 접시 안테나 정렬 불량)
• Rx 안테나 35dBi (12GHz에서 60cm 디시, 효율성 60%), Rx 케이블 0.5 데시벨, Rx 감도 −102 dBm (DVB-S2 QPSK 3/4, 27.5 밀리미터/초)

이 시나리오 열기.

결과: FSPL = 205.9dB, EIRP = 82dBm, 수신 전력 = −94.9dBm, 링크 마진 = 7.1dB (경고) , 0dB에서 최대 범위 ≈ 89,000km.

출력 읽기: 여기서는 노란색 알약이 맞습니다.최신 DVB-S2 시스템은 99.9% 의 빗방울을 견딜 수 있도록 7~10dB의 맑은 하늘 마진을 목표로 합니다. 99.99% (가동 시간 9분의 추가) 로 전환하려면 일반적으로 더 큰 접시 대신 적응형 코딩 (DVB-S2X ACM) 을 통해 달성한 5-8dB가 추가로 필요합니다.Ku-밴드에서는 비가 가장 중요한 설계 수단입니다.

첫 번째 결과 이후 자주 반복되는 작업

대부분의 디자인은 첫 시도에서 종료되지 않습니다.계산기의 URL 인코딩을 사용하면 시나리오를 빠르게 분기할 수 있습니다.

• 링크가 닫히지 않나요 (빨간색 알약)? 양쪽에 3dB의 안테나 게인을 추가하세요. 이는 전송 전력의 2배에 해당하지만 일반적으로 더 저렴합니다.또는 저차 변조로 전환하여 데이터 속도 (낮은 감도 임계값) 를 낮추세요.
• 충분한 마진 (매우 초록색 알약)? 변조 속도를 높여 안테나 크기를 줄이거나, 전송 전력을 줄여 배터리 수명을 늘리거나, 데이터 속도를 높일 수 있는지 확인하십시오 (16-QAM → 64-QAM).
• 온전성 검사: 거리를 두 배로 늘리십시오. FSPL은 정확히 6dB 증가해야 합니다.주파수를 두 배로 늘리세요. 똑같아요.그렇지 않다면 주파수를 어딘가에 잘못된 단위로 입력한 것입니다.

다른 도구들과 연계 사용: 수신 전력이 모이면 BER vs SNR 계산기에 전원을 공급하여 모뎀이 목표 비트 오류율에 도달하는지 확인하십시오.또는 단일 수신기 감도 숫자 대신 Noise Figure Cascade을 사용하여 구성 요소 데이터시트에서 유효 감도를 계산할 수 있습니다.

자유 공간 모델의 한계

이 계산기는 지구 곡률, 지형, 건물, 입력한 값 이상의 대기 흡수가 없는 자유 공간 전파를 가정합니다.세 가지 경우에는 정확합니다.

1. 진공 상태 또는 맑은 대기에서의 가시선 — 위성과 위성 간 연결, 고도 10도 이상에서 위성과 지상 간 비행, 지상에 대한 고지대 풍선
2. 무반향 실험 — 챔버 측정, 안테나 캘리브레이션
3. 최상의 온전성 검사로 — 항상 자유 공간 수를 먼저 계산한 다음 환경별 손실을 빼십시오.

장애물이 있는 지상 전파의 경우 다음 중 하나를 겹쳐 사용하십시오.

• 오쿠무라-하타 모델 — 150MHz — 1.5GHz 도시/교외/농촌
• 비용-231 하타 — 1.5 — 2GHz 확장 (오쿠무라-하타)
• ITU-R P.1411 — 근거리 실외, 피코셀 환경
• ITU-R P.1812 — 30MHz 이상의 지형 인식 경로 손실
• 레이 트레이싱/FDTD — 특정 건물 지오메트리용

프레넬 존 계산기은 가시선 경로에 실제로 장애물 위의 클리어런스가 있는지 확인하기 위한 보조 도구입니다. 지상파 링크 실패의 가장 일반적인 원인은 First-Frenel 클리어런스가 충분하지 않기 때문이며, 이는 자유 공간 수학에서 완전히 무시하는 6-15dB의 회절 손실로 나타납니다.

요약

• 온라인 RF 링크 버짓 계산기는 균일한 자유 공간 전파와 사용자 제공 손실 항을 사용하는 수신 전력 산술 연산인 Friis에 적합한 도구입니다.
• 4개의 출력 (FSPL, EIRP, 수신 전력, 링크 마진) 은 동일한 11개 입력에서 파생되므로 숨겨진 모델은 없습니다.
• 초록색 알약은 10dB 이상의 링크 마진을 나타냅니다. 이는 맑은 하늘의 고정 무선에는 충분하고 위성에는 비좁으며 밀집된 도시 환경에서는 오해의 소지가 있습니다.
• 자유 공간을 벗어나는 모든 것에 대해서는 환경별 손실 항을 추가하거나 전파 모델 인식 도구로 전환하세요.
• URL을 통해 시나리오를 공유하고, 설계를 빠르게 브랜치하고, 하드웨어로 전환하기 전에 BER/민감도 계산기와 연동하세요.