我需要多少功率才能通过 100 公里厚的固体冰壳传输无线电信号?

电器工程 射频 沟通
2022-01-30 23:43:41

想象一下,我在恩塞拉多或欧罗巴的冰下海洋中放置了一个浮动探测器:我的无线电需要多少功率才能从外表面与探测器进行通信?或者,换句话说,100 公里的固体冰会对例如 UHF 频率的无线电信号造成多大的衰减?

3个回答

我不能直接回答这个问题,但美国宇航局正在用飞机雷达探测格陵兰的冰盖,以找到基岩的深度。以下是他们对冰和无线电波的看法:-

另一方面,冰会根据雷达的频率做出不同的反应。它反射高频无线电波,但尽管是固体,但低频雷达可以在一定程度上穿过冰。这就是 MCoRDS 使用相对较低频率(介于 120 到 240 MHz 之间)的原因。这使仪器能够检测冰面、冰的内层和下面的基岩。“要探测冰底,你必须使用较低的频率,”CReSIS 科学家 John Paden 说。“太高的频率和信号会在冰中丢失。”

这来自这里,有趣的是,这是雷达,需要基岩的反射才能穿过冰层传回接收飞机。我想反射功率是到达岩石的入射功率的一小部分,所以也许你可以通过单向传输的固体冰盖获得 10 倍的距离。

这是他们得到的图像:-

在此处输入图像描述

在我看来,雷达可以实现+3km。我不知道雷达波束角是多少,因此无法计算冰表面的入射功率是多少 - 飞机的传输可能是 1MW 脉冲雷达,其波束角非常小,产生的入射功率为数百瓦的冰顶表面。此外,来自基岩的反射不会是紧密的光束——这意味着反射回来的功率会随着距离的增加而分散(参见Friis方程)。此外,在飞机上接收到的功率将远小于从冰表面发出的功率 - 再次参见弗里斯方程。

附录

我考虑过雷达应用的链路损耗:-

  • 平面到地面的链路损耗。直径 2m 的碟形天线增益为 \$\frac{\pi^2 D^2}{\lambda^2}\cdot 0.6\$ = 3.35 或约 10.5 dB。如果飞机在冰层上方 1 公里处,相同天线(在冰上)的链路损耗将为 -21(天线增益)+32.5 + 20log(MHz) + 20log(km) = 11.5 + 46 + 20 = 78dB 链路失利。如果雷达输出功率为 1 MW (90 dBm),则地面/冰盖表面的接收信号将为 12 dBm (16 mW)。
  • 反射信号也是同样的问题。在地面,它会受到相同的衰减,直到飞行器(78dB)高出 1 公里。

通过冰的简单传输不会遇到这些损失 - 发射和接收天线位于冰中或其表面。这一切都预示着能够通过大距离的冰在单一方向上传输。

假设它的行为类似于地球上的水冰,对南极洲罗斯冰架的射频衰减进行了一些测量。对于从 75MHz 到 1.25GHz 的频率,衰减长度被发现为 300-500m。

(衰减长度是信号下降到 1/e ~=0.368 ~= -4.3dB 的距离,有点类似于时间常数)

对于 100 公里厚度(大约 -950dB),这将是一个相当吓人的衰减量。不会发生

当然,功率取决于需要传输的信号的带宽。

换个角度来看,月球反弹通信的记录大约是 3mW 发射功率(~-300dB 衰减)。如果我们有 1GW,那将是另外 115dB,但仍然远远低于要求。

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目前我在英国南极调查局担任雷达工程师,所以我想我可以提供帮助。

频率很重要 冰(除了一些特定的间隙)在 MF 频率上没有阻塞,但在 HF 和 UHF 时,冰和水非常相似,几乎无法穿透。

如果您将频率保持在足够低的水平(低于 2.4Mhz),那么(假设您所谈论的冰是水基的)冰不会有什么问题……您仍在向太空传输和 MF 信号相当差这主要是由于地球上的电离层干扰。我知道地球磁场非常强大,所以也许在某些物体上你可以逃脱它。

无论哪种方式,我认为您的主要问题可能是找到一个可以穿过冰和任何大气干扰的单一频率。这肯定是地球上的问题