В отрывке статьи описаны характеристики антенн для Wi-Fi сетей (диаграммы направленности, коэфициэнт усиления). В полной версии статьи также приведено руководство по расчету и изготовлению самых распространенных типов антенн для беспроводных сетей стандартна 802.11b/g

Автор: Сергей Пахомов

Статья полностью….

В физике мощность принято измерять в ваттах…

Главные проблемы, возникающие при использовании беспроводных сетей стандарта 802.11b/g, — это недостаточно стабильная связь из-за слабого уровня принимаемого сигнала, и сильная зависимость скорости передачи от расстояния между беспроводным сетевым адаптером и точкой доступа. Так, если в пределах комнаты (офиса) одна точка доступа в состоянии обеспечить устойчивую работу беспроводных клиентов, то гарантировать устойчивую связь с клиентом, находящимся за стеной, уже вряд ли возможно, а уж две стены сможет «пробить» далеко не каждая точка доступа.

Если говорить об эксплуатации беспроводной точки доступа в квартире или офисе, ситуация, когда беспроводные клиенты находятся в разных комнатах и отделены от точки доступа стеной, а то и двумя, вполне реальна. Казалось бы, проблема решается достаточно просто: нужно лишь приобрести точку доступа с большой мощностью передатчика. Однако мощность передачи беспроводных устройств стандарта 802.11b/g регламентируется законодательными актами. В частности, в полосе частот 2400-2483,5 МГц (то есть устройств стандарта 802.11b/g) для создания радиосетей передачи данных без частотного планирования и на безлицензионной основе допускается использование передатчиков с мощностью излучения, что эквивалентно изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ), не более 100 мВт. В случае превышения этого показателя требуется получение в Минсвязи лицензии на создание и эксплуатацию ведомственной радиосети передачи данных.

Есть и еще одно препятствие, причем более серьезное. Дело в том, что точек доступа и беспроводных адаптеров с мощностью передачи более 100 мВт, что эквивалентно 20 дБм (о том, как связаны эти единицы между собой, мы расскажем ниже), вообще нет в продаже (речь, конечно, идет об устройствах, ориентированных на конечных пользователей).

Что же остается делать в сложившейся ситуации? Можно, конечно, ориентироваться на распределенные беспроводные сети. Однако это решение нельзя назвать дешевым, поскольку для увеличения зоны покрытия беспроводной сети требуется использование уже не одной, а нескольких беспроводных точек доступа. Другой способ увеличить зону покрытия беспроводной сети заключается в использовании направленных антенн, которые не меняют параметр ЭИИМ (а значит, закон не нарушается), но усиливают сигнал в определенном направлении. В этой статье мы рассмотрим наиболее типичные примеры направленных антенн и расскажем о том, как их можно сделать самостоятельно из подручных материалов.

Характеристики направленных антенн

Хотя направленные антенны часто называются усиливающими и даже характеризуются коэффициентом усиления, но в действительности они передаваемый сигнал не усиливают. То есть если мощность передатчика, к примеру, составляет 50 мВт, то какую бы антенну мы ни поставили, мощность передаваемого сигнала от этого не изменится. Это и понятно: все антенны подобного рода являются пассивными, так что брать энергию для усиления передаваемого сигнала им попросту неоткуда.

В чем же тогда заключается эффект усиления сигнала передающей антенной? Представьте себе электролампу, освещающую помещение. Свет от этой лампочки распространяется приблизительно равномерно по всем направлениям, от чего во всей комнате становится светло. Однако ту же самую лампочку можно установить в фонарь, создав позади нее параболический зеркальный отражатель. В этом случае мы получим направленное распространение света, то есть луч света, который не будет освещать всю комнату, но сможет передать свет на значительно большее расстояние. Именно по такому принципу работают и внешние антенны: они не изменяют мощности передаваемого сигнала, но меняют диаграмму его направленности.

Изотропный излучатель

Антенны излучают энергию во всех направлениях, но эффективность передачи сигнала для различных направлений может быть неодинакова и характеризуется диаграммой направленности. Для того чтобы оценивать эффективность передачи сигнала для различных направлений, введено понятие изотропного излучателя (omni), или изотропной антенны.

Изотропный излучатель — это идеальный точечный источник электромагнитных волн, излучающий равномерное по плотности энергии поле сферической формы. В природе изотропных излучателей не встречается. Каждая передающая антенна, даже самая простейшая, излучает энергию неравномерно, но всегда имеется направление, в котором излучается максимум энергии. Понятие же изотропного излучателя рассматривается исключительно в качестве некоторого идеализированного эталонного излучателя, с которым удобно сравнивать все остальные антенны.

Диаграмма направленности антенны

Направленные свойства антенн определяются зависимостью напряженности излучаемого антенной поля от направления. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой направленности антенны. Трехмерная диаграмма направленности изображается в виде поверхности, описываемой исходящим из начала координат радиус-вектором, длина которого в каждом направлении пропорциональна энергии, излучаемой антенной в данном направлении.

Кроме трехмерных диаграмм, часто рассматривают и двумерные, которые строятся для горизонтальной и вертикальной плоскостей. В этом случае диаграмма направленности представляет собой замкнутую линию в полярной системе координат, построенную таким образом, чтобы расстояние от антенны (центр диаграммы) до любой точки диаграммы направленности было прямо пропорционально энергии, излучаемой антенной в данном направлении.

В случае идеальной изотропной антенны, излучающей энергию одинаково по всем направлениям, диаграмма направленности представляет собой сферу, центр которой совпадает с положением изотропного излучателя. При этом горизонтальная и вертикальная диаграммы направленности изотропного излучателя представляют собой окружности.

В случае направленных антенн на диаграмме направленности можно выделить так называемые лепестки, то есть направления преимущественного излучения. Направление максимального излучения антенн называется главным направлением, а соответствующий ему лепесток — главным. Остальные лепестки являются боковыми, а лепесток излучения, ориентированный в сторону, обратную главному направлению, называется задним лепестком диаграммы направленности антенны. Направления, по которым антенна не принимает и не излучает, называются нулями диаграммы направленности.

Диаграмма направленности характеризуется и шириной. Под шириной диаграммы направленности понимают угол, внутри которого коэффициент усиления уменьшается по отношению к максимальному не более чем на 3 дБ. Практически всегда коэффициент усиления и ширина диаграммы связаны между собой: чем больше усиление, тем уже диаграмма, и наоборот.

Самым простым типом антенны, который часто используется в беспроводных устройствах, является диполь Герца — в радиотехнике он эквивалентен небольшой антенне, размер которой гораздо меньше длины волны излучения (рис. 1).

Рис. 1. Схема элементарного диполя Герца

Диаграмма направленности диполя Герца, изображенная на рис. 2, напоминает тор, поперечный разрез которого представляет собой две соприкасающиеся окружности. Приблизительно такую же форму имеют диаграммы направленности антенн различных передатчиков. Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Вертикальная и горизонтальная диаграммы направленности диполя Герца показаны на рис. 3 и 4.

Рис. 2. Пример трехмерной диаграммы направленности антенны типа диполя Герца

Рис. 3. Вертикальная диаграмма направленности антенны типа диполя Герца

Рис. 4. Горизонтальная диаграмма направленности антенны типа диполя Герца

Коэффициент усиления антенны

Еще одной важной характеристикой направленной антенны является коэффициент усиления, который показывает, во сколько раз эффективность данной антенны выше по сравнению с изотропным излучателем.

Коэффициент усиления антенны определяется как отношение плотности потока энергии, излучаемого в определенном направлении, к плотности потока энергии, который был бы зафиксирован при использовании изотропной антенной. Таким образом, коэффициент усиления антенны определяет, на сколько большую напряженность поля создаст данная антенна по сравнению с изотропной на одинаковом расстоянии при прочих равных условиях. Коэффициент усиления антенны измеряется в так называемых изотропных децибелах (дБи или dBi):

где k — коэффициент усиления антенны в заданном направлении; E — напряженность поля, создаваемого антенной в некоторой точке; E_omni— напряженность поля, создаваемого изотропной антенной в той же точке.

Допустим, коэффициент усиления антенны в заданном направлении составляет 5 дБи — это означает, что в данном направлении мощность излучения на 5 дБ (в 3,16 раза) больше, чем мощность излучения идеальной изотропной антенны. Естественно, увеличение мощности сигнала в одном направлении влечет за собой уменьшение мощности в других направлениях.

Когда говорят, что коэффициент усиления антенны составляет 10 dBi, то имеется в виду направление, на котором достигается максимальная мощность излучения (главный лепесток диаграммы направленности).

К примеру, при использовании беспроводной точки доступа с мощностью передатчика 20 dBm (100 мВт) и направленной антенны с коэффициентом усиления 10 dBi мощность сигнала в направлении максимального усиления составит 20 dBm + 10 dBi = 30 dBm (1000 мВт), то есть в 10 раз больше, чем в случае использования изотропной антенны. Следовательно, с такой антенной и две бетонные армированные стены не станут проблемой.

В физике мощность принято измерять в ваттах (Вт), но в теории связи для измерения мощности сигнала чаще используют децибелы (дБ). Данная единица измерения является логарифмической и может использоваться лишь для сравнения одноименных физических величин. Так, если сравниваются два значения A и B одной и той же физической величины, то отношение A/B показывает, во сколько раз одна величина больше другой. Если же рассмотреть десятичный логарифм того же самого отношения (), то мы получим сравнение этих величин, но выраженное уже в белах (Б), а выражение определяет сравнение этих величин в децибелах (дБ). Если, например, говорят, что одна величина больше другой на 20 дБ, то это означает что одна величина больше другой в 100 раз.

Децибелы используются не только для сравнения величин, но и для выражения абсолютных значений. Однако с этой целью в качестве второй величины, с которой производится сравнение, принимается некоторое эталонное значение. Чтобы выразить абсолютное значение мощности сигнала в децибелах, за эталонное значение принимается мощность в 1 мВт, а уровень мощности сравнивается в децибелах с мощностью в 1 мВт. Эта единица измерения, получившая название децибел на милливатт (дБм), и показывает, на сколько децибелов мощность измеряемого сигнала больше мощности в 1 мВт.

Нетрудно рассчитать, что мощности 100 мВт соответствует мощность 20 дБм, а мощности 50 мВт — мощность 17 дБм.