Mocy nadajników nie da się w ten sposób przeliczać, gdyż propagacja fal radiowych w zakresie VHF i UHF jest zupełnie inna. Do planowania radiowego, czyli określania zasięgów w sieci radiowej używa się specjalnego oprogramowania. Cała radiokomunikacja profesjonalna (Emitel na 99.9999% również) od lat bazuję na produkcie ICS Telecom Designer firmy ATDI, który jest tutaj monotypem. Amatorzy rozwijają oprogramowanie RadioMobile, które wprawdzie nie ma tak wiernego modelu matematycznego i nadaje się praktycznie do zgrubnej symulacji sieci radiotelefonicznych, aczkolwiek wystarczy do zwięzłego wyjaśnienia tego tematu.
Zaczynając od początku należy powiedzieć, że fala radiowa propagująca od nadajnika do odbiornika może docierać na trzy sposoby: jako fala bezpośrednia, jako fala odbita i jako fala załamana. Pomińmy tutaj narazie chwilową propagację troposferyczną i jonosferyczną oraz fale krótkie, czyli frekwencje poniżej 30MHz. Fala radiowa jest taką samą formą fali elektromagnetycznej jak np. światło, dlatego w dalszej analizie można się posługiwać analogiami optycznymi. Jedyna różnica polega na tym, że dla fal radiowych energia fotonów jest tak bardzo mała, że w przybliżeniu można nie rozpatrywać dualizmu i przyjąć jedynie postać falową.
Fala bezpośrednia - Jak wskazuje nazwa rozchodzi się bezpośrednio od nadajnika do odbiornika w linii prostej. Jej tłumienie w dB (decybelach) jest zależne od jej frekwencji, parametrów elektrycznych ośrodka i przeszkód znajdujących się na jej drodze. Tłumienie to w polu dalekim (czyli w zależności od literatury od 3 do 10 długości fali od anteny nadawczej) można obliczyć np takim kalkulatorem:
https://www.cyberbajt.pl/wiedza_obliczenia/2/. Najmniejsze tłumienie będzie miała próżnia i suche powietrze. Drzewa i woda będą wprowadzały dodatkowe dB, natomiast beton i skała będą już tłumiły w bardzo dużym stopniu. Materiały przewodzące prąd elektryczny tłumią fale elektromagnetyczne prawie całkowicie. Pole EM pobudza nośniki ładunków w przewodniku (elektrony dla metali) do drgań, co objawia się po prostu przepływem prądu elektrycznego. Prąd elektryczny wnika w głąb tego przewodnika na głębokość zależną od frekwencji drgania, które go wytworzyło (efekt naskórkowy). Po drugiej stronie teoretycznego, nieskończenie wielkiego przewodnika o nieskończenie wielkiej przenikalności magnetycznej natężenie pola elektrycznego wynosi dokładnie 0V/m. Na tej zasadzie działa m.in klatka Faradaya, oraz wszelakie ekrany chroniące czułe urządzenia elektroniczne od zewnętrznych zakłóceń.
Pojęcia fali bezpośredniej używa się głównie przy projektowaniu łączy radioliniowych, które pracują w relacji punkt-punkt na antenach kierunkowych. W zakresie częstotliwości >> 1GHz praktycznie pomija się odbicie i załamanie gdyż wprowadza zbyt wielkie tłumienie fali. Wszelkie przeszkody terenowe są niedopuszczalne, a przy obliczaniu dostępności łącza uwzględnia się nawet klimat i częstość i intensywność opadów deszczu, który silnie wpływa na siłę sygnału na tych częstotliwościach.
Fala odbita - W zdecydowanej większości przypadków łączność radiowa < 1GHz odbywa się bez widoczności optycznej (LOS - Line Of Sight) pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Ponieważ tłumienie wprowadzane przez przeszkody terenowe (zwłaszcza miejską zabudowę) jest przeważnie bardzo duże, fale radiowe docierające do anteny odbiornika pochodzą raczej wyłącznie z odbicia i załamania (bo bezpośrednia jest już bardzo słaba). Odbicie zachodzi tu na podobnej zasadzie co w przypadku światła i lustra. Oczywiście i tutaj ma ono różną skuteczność w zależności od tego na jakiej powierzchni zachodzi. Rolę odgrywa tutaj zarówno materiał (odbicie zachodzi najlepiej od powierzchni metali), jak również jego kształty i struktura w odniesieniu do długości fali.
Z praktycznego punktu widzenia (i tego tematu) istotniejsza jest jednak frekwencja fali. Praktyka pokazuje, że odbiciu ulegają łatwiej fale o wyższej częstotliwości, tj. z zakresu UHF powyżej częstotliwości 300MHz. Właściwość ta powoduje, że zakres UHF jest chętniej wykorzystywany w sieciach radiotelefonicznch pracujących w terenie zurbanizowanym. Niegdyś wykorzystywano "zaginione pasmo 300 mega" czyli zakres 300-308MHz oraz 336-344MHz. Po wejściu do NATO użytkownicy cywilni zostali przeniesieni na zakres 410-430MHz i 448-470MHz.
Wprawdzie sumaryczny zasięg UHF jest mniejszy niż VHF, aczkolwiek UHF bardzo dobrze "wypełnia" ulice znajdujące się w gęstej zabudowie, dzięki odbiciu od budynków. Należy tu zapamiętać, że w odróżnieniu od radiodyfuzji, która jest łącznością jednokierunkową w sieciach radiotelefonicznych liczy się komunikacja w dwie strony, a największą wagę przykłada się w relacji od stacjo mobilnej do stacji stałej/bazowej.
Fala załamana - Fala radiowa może równocześnie z odbiciem ulegać załamaniu (dyfrakcji), czyli zmianie kierunku na krawędziach przeszkód. Analogią optyczną tego zjawiska jest fakt, że cień obiektów jest nieco mniejszy niż wynikało by to z optyki geometrycznej i twierdzenia Talesa. Tłumacząc to nieco prostszym językiem: Jeżeli fala radiowa napotyka np. ostra grań góry, to tor jej propagacji zagina się na tej grani i fala radiowa zaczyna "poruszać się" nieco w dół zbocza "na zawietrznej".
W odróżnieniu od odbicia, tutaj załamaniu ulegają chętniej (tj. wydajniej) fale o niższej frekwencji. Pasmo UHF ugina się bardzo źle, tj. o mały kąt. Natomiast pasmo VHF czyli 144MHz-174MHz, czyni to zdecydowanie lepiej. Jeszcze lepszy jest Mid-Band VHF czyli okolice 70-80MHz, a najlepszy jest Low-Band VHF czyli 33-34MHz oraz 48-50MHz (cały czas mowa tu o cywilnych pasmach radiotelefonicznych). Z tegoż właśnie powodu GOPR na początku swojej radiotelefonizacji wykorzystał dwa kanały o frekwencjach odpowiednio 40.050MHz i 40.200MHz (obecnie pasmo MON). Ratownicy wykorzystywali radiotelefony Klinek zaprojektowane i produkowane przez Wojciecha Nietykszę (znak amatorski: SP5FM). Posiadały one zaledwie kilka W mocy wyjściowej ale pomimo tego była to wartość wystarczająca do prowadzenia łączności radiotelefonicznej pomiędzy sobą, jak również z placówkami GOPR wyposażonymi w radiotelefony bazowe "Wawa", również autorstwa SP5FM. Łączność była oczywiście prowadzona bez udziału stacji retransmisyjnych.
Jak to się przenosi na praktykę?
Niższe frekwencję chętniej ulegają ugięciu, natomiast bardzo kiepsko odbijają się od przeszkód terenowych, zwłaszcza od zabudowy, której wymiary (po pominięciu okien i innych otworów) są małe w porównaniu do długości fali. Ich zasięg na fali bezpośredniej jest większy ze względu na tłumienie przestrzeni.
Wyższe frekwencję bardzo dobrze ulegają odbiciu od równych i jednolitych powierzchni. Ulegają ugięciu o mały kąt, co czyni to ugięcie mało skutecznym. W terenie górskim ulegają raczej rozproszeniu niż odbiciu, ze względu na nieregularny kształt terenu. Zasięg na fali bezpośredniej jest niższy ze względu na większe tłumienie ośrodka.
Widać to łatwo na poniższych dwóch wynikach planowania radiowego w oprogramowaniu Radio Mobile. Powstało ono na potrzebę instalacji urządzeń na pewnym obiekcie na Magurze Małastowskiej w Beskidzie Niskim.
1. Tutaj pokazany jest zasięg w relacji stacja mobilna nadaje -> stacja bazowa (retransmisyjna / przemiennik) słucha, przy częstotliwości 145MHz. Jako stacja mobilna przyjęto radiotelefon o mocy 25W i z anteną o charakterystyce ósemkowej i zysku 4dBi (nieco nad wyraz ale w tym momencie nie jest to istotne). Stacja bazowa to antena umieszczona 20m nad gruntem o zysku 6dBi (na UHF nieco więcej). Zółty obszar to miejsca z którym stacja mobilna będzie odbierana z sygnałem o sile 1 mikrowolt lub większym.
Bardzo ważny jest fakt, że w odróżnieniu od instalacji RTV, cała radiokomunikacja używa instalacji antenowych o impedancji 50omów a nie 75omów. Wspomniane napięcie 1 mikrowolt jest to napięcie na 50 omach obciążenia.
2. Tutaj jest ta sama sytuacja, anteny o zysku 1dBi większym ale pasmo UHF 430MHz
Jak widać "na płaskim" sytuacja nie uległa zmianie i stacja mobilna dalej będzie słyszalna z siłą 1 mikrowolt albo lepiej. Dużo gorzej jest jednak w górach, zwłaszcza na "radiowych zawietrznych". Można się tutaj pokusić o podglądnięcie przekrojów pomiędzy stacjami i porównanie poziomów sygnałów.
1. Tutaj jest przekrój bez widoczności w paśmie VHF
2. A tutaj to samo ale dla pasma UHF
Widać więc, że zwiększenie frekwencji 3x oznacza spadek siły sygnału na wejściu odbiornika o 13dB, czyli 20 razy. Zwracam przy tym uwagę na większe moce emitowane i anteny o większym zysku. Samo tłumienie linku radiowego wzrosło o 19dB, czyli prawie 100 razy
3. Natomiast tutaj jest link VHF w relacji do tej samej stacji stałej ale ze stacji mobilnej znajdującej się w prawie bezpośredniej widoczności optycznej (near LOS).
4. A na koniec UHF w near LOS
Jak widać różnica pomiędzy 3 a 4 jest już dużo mniejsza. Poziom sygnału na wejściu odbiornika spadł już tylko o 4 decybele (nieco ponad 2 razy), a tłumienie linku różni się jedynie o 10 decybeli (10 razy).
Końcowa konkluzja: Nie da się literalnie wskazać, że aby uzyskać taki sam poziom sygnału na UHF w porównaniu do UHF moc nadajnika należy zwiększyć o xxx decybeli. W tym poście nie poruszałem tez praktycznie innych ważnych rzeczy jak systemy antenowe i ich kierunkowość, odbiór wielodrogowy i wynikające z niego zakłócenia fazowe (przekładające się na zakłócenia międzysymbolowe w OFDM)
.
