2. 无线通信基础

无人机链路预算的起点不是发射功率，而是电磁波在空间中的传播行为。只有理解电磁波如何随距离扩散、如何被障碍物遮挡、如何在多径环境中叠加或抵消，才能把链路预算从“算一个数”变成“解释为什么链路会断”。本节围绕五个基础概念展开：电磁波传播、频率与波长、自由空间损耗、菲涅尔区、多径与衰落。

一、电磁波传播：从天线到接收机的能量扩散

无人机数据链通常工作在微波频段，电磁波以横电磁波形式在空间传播。发射天线把射频电流转换为电磁波，接收天线再把电磁波转换为射频电压。在自由空间中，能量沿球面扩散，功率密度随距离平方下降；一旦遇到地面、建筑、山体、机身或云层，就会发生反射、绕射、散射和吸收。对无人机链路而言，最需要关注的是直射路径是否被遮挡，以及反射路径是否与直射路径形成有害叠加。

电磁波传播的三种典型机制可以这样理解：反射发生在尺寸远大于波长的表面，如地面、水面、建筑外墙；绕射发生在障碍物边缘，电磁波会“拐弯”进入阴影区，但强度明显下降；散射发生在尺寸与波长相近的粗糙表面或雨滴、树叶等介质中，能量被分散到多个方向。无人机在低空飞行时，地面反射和多径效应往往比高空更严重。

二、频率与波长：决定天线尺寸与传播特性

频率 f 与波长 λ 的关系为 λ = c / f，其中 c ≈ 3×10⁸ m/s。频率越高，波长越短，天线可以做得越小，但绕射能力越弱、雨衰和大气吸收越明显；频率越低，波长越长，绕射能力越强，但天线尺寸更大，可用带宽更窄。无人机常用频段包括 433 MHz、900 MHz、1.2 GHz、2.4 GHz、5.8 GHz 等，选择时要在天线尺寸、带宽、抗干扰和传播距离之间折中。

三、自由空间损耗：链路预算的基准线

自由空间损耗（FSPL）描述理想无遮挡条件下，电磁波随距离扩散造成的功率衰减。常用工程公式为：

FSPL(dB) = 32.44 + 20·log10(d_km) + 20·log10(f_MHz)

示例：d = 10 km，f = 2400 MHz
FSPL = 32.44 + 20·log10(10) + 20·log10(2400)
     = 32.44 + 20 + 67.60
     ≈ 120.04 dB

该公式说明两个关键规律：距离每增加一倍，损耗增加约 6 dB；频率每增加一倍，损耗也增加约 6 dB。因此，把 2.4 GHz 链路换成 5.8 GHz，在相同距离下会多出约 7.6 dB 的额外自由空间损耗。链路预算中，接收功率可写为：

P_rx(dBm) = P_tx(dBm) + G_tx(dBi) + G_rx(dBi)
            - FSPL(dB) - L_cable(dB) - L_misc(dB)

自由空间损耗只是“基准线”，真实链路还要扣除遮挡、多径、极化失配、雨衰和人体/机身遮挡等余量。工程上常把自由空间结果作为理想上限，再根据场景附加 10～30 dB 的衰落余量。

四、菲涅尔区：判断“能不能通”的空间条件

菲涅尔区是发射机与接收机之间电磁波传播的椭球空间区域。第一菲涅尔区半径最大，集中了大部分传播能量。若第一菲涅尔区被地面、山体或建筑遮挡超过 40%，链路损耗会显著增加；遮挡超过 60% 时，通常认为直射路径已不可用。第一菲涅尔区半径的近似公式为：

r1 = 17.32 · sqrt( (d1·d2) / (f·D) )

其中：
r1：第一菲涅尔区半径（m）
d1、d2：障碍物到两端距离（km）
D：总距离（km）
f：频率（GHz）

无人机低空飞行时，地面本身就是最大的遮挡体。若飞行高度不足，第一菲涅尔区被地面切割，接收功率会快速下降。因此，航线规划中要保证无人机与地面站之间具有足够的“净空高度”，通常要求第一菲涅尔区至少 60% 无遮挡。

五、多径与衰落：为什么信号会忽强忽弱

多径是指同一发射信号经过不同路径到达接收端，各路径的幅度、相位和时延不同。若两路信号同相叠加，接收功率增强；若反相叠加，接收功率可能下降十几甚至几十 dB。无人机在飞行中，机身姿态、地面反射、建筑和树木都会不断改变多径结构，因此接收信号会呈现快速起伏，这就是衰落。

衰落可分为大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落由距离和地形决定，变化缓慢；小尺度衰落由多径干涉决定，变化快，常服从瑞利分布或莱斯分布。若存在强直射分量，接收信号包络服从莱斯分布；若直射路径被完全遮挡，则趋于瑞利分布。工程上常用分集、跳频、扩频、定向天线和自动增益控制来对抗衰落。

六、案例与复盘：一次低空图传中断的分析

某无人机在 2.4 GHz 频段执行低空巡检，地面站与无人机水平距离仅 3 km，自由空间损耗约 110 dB，理论上余量充足，但图传在飞越一片树林后频繁中断。复盘发现：第一菲涅尔区被树冠切割超过 50%，直射路径严重衰减；同时地面反射路径与直射路径反相叠加，造成 15 dB 以上的快衰落。调整方案包括：提高飞行高度 30 m，使第一菲涅尔区净空达到 70%；把图传频段切换到 900 MHz，增强绕射能力；在地面站增加定向天线并启用双天线分集。调整后，链路中断率显著下降。

这个案例说明，链路预算不是单一公式，而是传播环境、频率选择、天线配置和余量设计的综合结果。掌握电磁波传播、频率与波长、自由空间损耗、菲涅尔区和多径衰落这五个基础概念，才能为后续的链路预算计算和可靠性设计打下可解释、可验证的基础。