Відмінності між версіями «Антени для Wi-Fi-пристроїв»

Версія за 00:16, 13 грудня 2010

Характеристики антен

Однією з найважливіших характеристик антен є коефіцієнт посилення. Часто назва цього параметра призводить до помилкового припущення, що антени здатні посилювати сигнал. Насправді це не так - якщо потужність передавача, наприклад складає 50 мВт, то яку б антену не поставили, потужність передаваного сигналу буде такою ж. Річ у тому, що усі антени подібного роду є пасивними пристроями і брати енергію для посилення передаваного сигналу їм просто нема звідки.Далі розглянемо з такими важливими поняттями, як ідеальний ізотропний випромінювач і діаграма спрямованості антени.

Ізотропний випромінювач

Антени випромінюють енергію у вигляді електромагнітних хвиль на всіх напрямках. Проте ефективність передачі сигналу для різних напрямів може бути неоднакова і характеризується діаграмою спрямованості. Для оцінки ефективності передачі сигналу по різних напрямах введено поняття ізотропного випромінювача, або ізотропної антени. Ізотропний випромінювач - це ідеальне точкове джерело електромагнітних хвиль, випромінююче рівномірно по усіх напрямах. Якщо уявити собі сферу з центром, співпадаючим з ізотропним випромінювачем, то щільність випромінюваної ізотропним джерелом енергії буде однакова в будь-якій точці такої сфери. Тому говорять що ізотропний випромінювач утворює рівномірне по щільності енергії поле сферичної форми. У природі ізотропних випромінювачів не існує. Кожна передавальна антена, навіть найпростіша, випромінює енергію нерівномірно - в якомусь напрямі її випромінювання максимальне. Ізотропний же випромінювач розглядається виключно як деякий еталонний випромінювач з яким зручно порівнювати усі інші антени.

Діаграма спрямованості антени

Спрямовані властивості антен прийнято визначати залежністю напруженості випромінюваного антеною поля від напряму. Графічне представлення цієї залежності називається діаграмою спрямованості антени. Тривимірна діаграма спрямованості зображається як поверхня, що описується радіус-вектором, що виходить з початку координат, довжина якого в тому або іншому напрямі пропорційна енергії, випромінюваною антеною в цьому напрямі. Окрім тривимірних діаграм часто розглядають і двовимірні, які будуються для горизонтальної і вертикальної площин. При цьому діаграма спрямованості має вигляд замкнутої лінії в полярній системі координат, побудованій так, щоб відстань від антени (центр діаграми) до будь-якої точки діаграми спрямованості було прямо пропорціонально енергії, випромінюваною антеною в цьому напрямі.
Для ізотропної антени, випромінюючої енергію однаково по усіх напрямах, діаграма спрямованості є сферою, центр якої співпадає з положенням ізотропного випромінювача а горизонтальна і вертикальна діаграми спрямованості ізотропного випромінювача мають форму кола.
Для спрямованих антен на діаграмі спрямованості можна виділити так звані пелюстки, тобто напрями переважного випромінювання. Напрям максимального випромінювання антен називається головним напрямом; відповідна йому пелюстка - головним; інші пелюстки - бічними, а пелюстка випромінювання убік, зворотну головному напряму називається задньою пелюсткою діаграми спрямованості антени. Напрями, в яких антена не приймає і не випромінює, називаються нулями діаграми спрямованості.
Діаграму спрямованості також прийнято характеризувати шириною, під якою розуміють кут, усередині якого коефіцієнт посилення зменшується по відношенню до максимального не більше ніж на 3 дБ. Практично завжди коефіцієнт посилення і ширина діаграми взаємозв'язані: чим більше посилення, тим вже діаграма, і навпаки.

Коефіцієнт посилення антени

Ще однією важливою характеристикою спрямованої антени є коефіцієнт посилення, який показує, у скільки разів ефективність даної антени вище в порівнянні з ізотропною випромінювачем. Коефіцієнт підсилення антени визначається як відношення щільності потоку енергії, що випромінюється в певному напрямку, до щільності потоку енергії, який був би зафіксований при використанні ізотропної антеною. Таким чином, коефіцієнт посилення антени визначає, на скільки велику напруженість поля створить дана антена в порівнянні з ізотропної на однаковій відстані за інших рівних умовах. Коефіцієнт підсилення антени вимірюється в так званих ізотропних децибелах (дБі або dBi): ,
де Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): k

- коефіцієнт підсилення антени в заданому напрямку; Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): E
- напруженість поля, створюваного антеною в деякій точці; Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): Eomni

-напруженість поля, створюваного ізотропної антеною в тій же точці. Припустимо, коефіцієнт посилення антени в заданому напрямку становить 5 дБи - це означає, що в даному напрямку потужність випромінювання на 5 дБ (в 3,16 рази) більше, ніж потужність випромінювання ідеальної ізотропної антени. Природно, збільшення потужності сигналу в одному напрямку тягне за собою зменшення потужності в інших напрямках. Коли говорять, що коефіцієнт підсилення антени складає 10 dBi, то мається на увазі напрям, на якому досягається максимальна потужність випромінювання (головний пелюсток діаграми спрямованості). Приміром, при використанні бездротової точки доступу з потужністю передавача 20 dBm (100 мВт) і спрямованої антени з коефіцієнтом підсилення 10 dBi потужність сигналу в напрямку максимального посилення складе 20 dBm 10 dBi = 30 dBm (1000 мВт), тобто в 10 разів більше, ніж у випадку використання ізотропної антени. Отже, з такою антеною і дві бетонні армовані стіни не стануть проблемою.

У фізиці потужність прийнято вимірювати в ватах (Вт), але в теорії зв'язку для вимірювання потужності сигналу частіше використовують децибели (дБ). Дана одиниця вимірювання є логарифмічною і може
 використовуватися лише для порівняння однойменних фізичних величин. Так, якщо порівнюються два значення A і B однієї і тієї ж фізичної величини, то ставлення A / B показує, у скільки разів одна величина
 більша за іншу.

Якщо ж розглянути десятковий логарифм того ж самого відношення Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): log*A/B

, то ми отримаємо порівняння цих величин, але виражене вже в белах (Б),

а вираз Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): 101g*A/B
визначає порівняння цих величин в децибелах (дБ). Якщо, наприклад, говорять, що одна величина більша за іншу на 20 дБ, то це означає що одна величина більша за іншу в 100 разів.
Децибели використовуються не тільки для порівняння величин, але і для вираження абсолютних значень. Однак із цією метою в якості другої величини, з якої проводиться порівняння,
 приймається якийсь еталонне значення.
Щоб висловити абсолютне значення потужності сигналу в децибелах, за еталонне значення приймається потужність в 1 мВт, а рівень потужності порівнюється в децибелах з потужністю в 1 мВт.
Ця одиниця виміру, що отримала назву децибел на мілліватт (дБм), і показує, на скільки децибел потужність вимірюваного сигналу більше потужності в 1 мВт.

Неважко розрахувати, що потужності 100 мВт відповідає потужність 20 дБм, а потужності 50 мВт - потужність 17 дБм.

Типи антен для Wi-Fi-пристроїв

У плані використання усі антени для Wi-Fi-пристроїв можна умовно розділити на два великі класи: антени для зовнішнього і для внутрішнього застосування. Відрізняються ці антени передусім своїми габаритами і коефіцієнтом посилення. Природно антени для зовнішнього використання більше по розмірах і передбачають форму кріплення або до стіни будинку, або до вертикального стовпа. Високий коефіцієнт посилення в таких антенах досягається за рахунок малої ширини діаграми спрямованості (головної пелюстки). Зовнішні антени застосовуються, як правило, для зв'язку двох безпровідних мереж, що знаходяться на великій відстані один від одного. Дві такі антени встановлюються в зоні прямої видимості, і в даному випадку важливо щоб кожна з них знаходилася в зоні головної пелюстки діаграми спрямованості іншої антени. Антени для внутрішнього використання менше по розмірах і мають нижчий коефіцієнт посилення. Такі антени або встановлюються на столі, або кріпляться до стіни або безпосередньо до точки доступу. До самої точки доступу антени можуть під'єднуватися або безпосередньо, або за допомогою кабелю. При цьому для під'єднування антени або кабелю до точки доступу призначений спеціальний мініатюрний SMA-роз'їм . На точках доступу застосовується роз'єм типу Male а на самій антені або антенному кабелі - роз'єм типу Female. Для з'єднання антени зовнішнього застосування з кабелем можуть використовуватися і інші типи високочастотних роз'ємів - найчастіше це роз'їм N-типу.

Штирьова антена [1]

Антена D-Link ANT24-0800 була розроблена для того, що б, підключаючись до бездротових пристроїв, що працюють на частоті 2.4 Ггц, збільшувати радіус покриття бездротової мережі. Посилення 8 dBi, потужність, що підводиться 50 Вт, діаграма спрямованості:
по горизонталі 360 градусів
по вертикалі 15 градусів
Теоретична відстань передачі при швидкості 1 Мбіт/с/11 Мбіт/с при роботі:
з внутрішніми точками доступу до 1,2 км/400м;
при роботі із зовнішніми точками доступу до 2км/600м.

D-Link ANT24-0501C.Внутрішня всенаправлена антена 2.4ГГц, коефіцієнтом посилення 5 dBi. Дозволяє збільшити радіус дії бездротових пристроїв стандарту 802.11b і 802.11g

Усі точки доступу стандарту 802.11b/g комплектуються штатними мініатюрними штирьовими антенами, які можуть бути як знімними, так і стаціонарними. Штирьова антена є найпростішим варіантом антени. Її часто називають також несиметричним вібратором. Якщо штирьову антену розташувати вертикально, то в горизонтальній площині вона випромінюватиме енергію на всі боки рівномірно, тому в горизонтальній площині така антена є всенаправленою і природно, говорити про переважне випромінювання в певному напрямі не доводиться. В той же час у вертикальній площині така антена випромінює нерівномірно. Зокрема, випромінювання уздовж осі антени взагалі відсутнє. Саме тому навіть у разі простої штирьової антени можна виділити напрями, відповідні максимальному посиленню. Для штирьових антен максимальне посилення досягається в площині, перпендикулярній антені і що проходить через її середину.
Якщо розібрати штатну штирову антену, то в більшості випадків виявиться, що довжина її активної частини складає всього 31 мм. Природно, така довжина обрана не випадково. Справа в тому, що частотний діапазон для Wi-Fi-пристроїв становить від 2400 до 2473 МГц. Відповідно довжина хвилі випромінювання варіюється від 12,12 до 12,49 см, а чверть довжини хвилі приблизно дорівнює 31 мм. Тобто в більшості випадків довжина штирьовий антени вибирається рівної чверті довжини хвилі випромінювання. Тривимірна діаграма спрямованості, а також горизонтальна і вертикальна діаграми спрямованості такої антени показані на рис. 1.

Рис.1а. Тривимірна діаграма спрямованості (антена розташована уздовж осі Z)

Рис.1б. Вертикальна діаграма спрямованості

Рис.1с. Горизонтальна діаграма спрямованості

Відзначимо, що в силу ізотропного характеру випромінювання штирьовий антени, в горизонтальній площині точку доступу з такою антеною оптимально встановлювати в центрі офісу або квартири, щоб максимально охопити бездротовою мережею весь простір квартири або офісу.

Штирьова антена c перпендикулярним рефлектором

Схема штирьовий антени з перпендикулярним рефлектором

Конструкцію штирьової антени можна дещо поліпшити, використавши перпендикулярний до антени рефлектор - металеву поверхню (екран), що виконує функцію ідеальної заземлювальної поверхні. Подібні антени не виробляються промисловістю (у всякому разі, у продажу їх немає), однак таку антену нескладно виготовити самостійно. Тривимірна діаграма спрямованості, а також горизонтальна і вертикальна діаграми спрямованості штирьовий четвертьволновой антени з перпендикулярним відбивачем показані на рис. 2.

Рис.2а. Тривимірна діаграма спрямованості (антена розташована уздовж осі Z, рефлектор знаходиться у площині XY)

Рис.2б. Вертикальна діаграма спрямованості

Рис.2с. Горизонтальна діаграма спрямованості

Для довжини антени 1 / 4 у випадку ідеального нескінченного рефлектора коефіцієнт максимального посилення дорівнює 5,18 dBi, в той час як для тієї ж самої антени без рефлектора коефіцієнт максимального посилення становить лише 1,73 dBi. Як і у випадку звичайної штирьовий антени, штиркової антену з перпендикулярним рефлектором найбільш доцільно встановлювати в центрі приміщення (квартири або офісу).

Штирьова антена з паралельним рефлектором

Схема штирьовий антени з перпендикулярним рефлектором

Ще один спосіб модифікування штирьової антени полягає в тому, щоб використовувати не перпендикулярний, а паралельний антени рефлектор. У цьому випадку істотно змінюється її діаграма спрямованості і в горизонтальній площині така антена перестає бути ізотропною. Вид діаграми спрямованості в горизонтальній площині (в площині, перпендикулярної антени) залежить і від розмірів самої антени, і від відстані між антеною і відбивачем. На рис. 3 показана тривимірна діаграма спрямованості, а також горизонтальна і вертикальна діаграми спрямованості штирьовий четвертьволновой антени з паралельним відбивачем при відстані між антеною і відбивачем 1 / 4 (31 мм).

Рис.2а. Тривимірна діаграма спрямованості (антена розташована уздовж осі Z, рефлектор знаходиться у площині XY)

Рис.2б. Вертикальна діаграма спрямованості

Рис.2с. Горизонтальна діаграма спрямованості

НІнші типи Wi-fi антен

Література

1. Направленные антенны для беспроводных устройств стандарта 802.11b
2. Принципы построения простых беспроводных сетей ориентированных на домашнее использование
3.