Введение
В статье рассматривается распространение радиоволн в беспроводных системах с акцентом на то, что «закон обратных квадратов» принципиально ограничивает дальность связи по мере увеличения расстояния.
Как распространяются радиосигналы
Передатчики излучают энергию во всех направлениях, создавая расширяющийся сферический волновой фронт, а не сфокусированные лучи. Распределение сигнала растёт квадратично, тогда как расстояние увеличивается линейно — это и является математической основой ограничений дальности.
Закон обратных квадратов
Формула площади поверхности сферы: A = 4πr²
Ключевой принцип: при удвоении расстояния площадь распределения сигнала увеличивается вчетверо, снижая плотность мощности на 75%. В статье отмечается: «удвоение расстояния уменьшает уровень принятого сигнала до одной четверти».
Практические последствия для реальных систем
Три критических фактора:
- Нелинейное масштабирование дальности — Для удвоения эффективной дальности (теоретически в свободном пространстве) мощность передатчика необходимо увеличить в четыре раза
- Важность чувствительности приёмника — Улучшение уровня шумового пола зачастую эффективнее увеличения мощности
- Конструкция антенны — Направленные антенны концентрируют энергию, компенсируя потери на распространение
Потери в окружающей среде
В реальных условиях развёртывания возникают дополнительные потери из-за препятствий, многолучевого замирания, атмосферного поглощения, неэффективности антенн и несоответствия поляризации — зачастую превышающие теоретические прогнозы.
Практические применения (БПЛА, IoT, трекеры)
- Более высокое расположение антенн снижает потери на препятствия
- Более низкие скорости передачи данных улучшают отношение сигнал/шум
- Технологии с расширенным спектром (LoRa) жертвуют полосой пропускания ради увеличения дальности
Заключение
«Расстояние — враг радиосвязи» — этот принцип принципиально определяет инженерные решения в области оптимизации антенн, выбора метода модуляции и размещения систем.