Антенны 5 дби что это
Теория внешних Wi-Fi антенн на примере U.S. Robotics
Одной из главных проблем, возникающих при использовании беспроводных сетей стандарта 802.11b/g/а, можно назвать недостаточно стабильную связь, связанную со слабым уровнем принимаемого сигнала, а таже сильную зависимость скорости передачи от расстояния между беспроводным сетевым адаптером и точкой доступа. К примеру, если в пределах комнаты (офиса) одна точка доступа в состоянии обеспечить устойчивую работу беспроводных клиентов, то гарантировать устойчивую связь с клиентом, находящимся за стенкой, уже вряд ли возможно. А уж через две стены сможет «пробить» далеко не каждая точка доступа. С другой стороны, если речь идет об эксплуатации беспроводной точки доступа в квартире, 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 приобрести точку доступа с большой мощностью передатчика. Однако, не все так просто. Дело в том, что мощность передачи беспроводных устройств стандарта 802.11b/g регламентируется законодательными актами. Государственная комиссия по радиочастотам в своем решении №38 от 16 июля 1998 г. разрешила юридическим и физическим лицам применение устройств, использующих технологию расширения спектра, 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, при максимальной эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) не больше 100 мВт. В случае превышения этого показателя требуется получение в Минсвязи лицензии на создание и эксплуатацию ведомственной радиосети передачи данных.
Можно было бы конечно и забыть ознакомится с этим постановлением, что для России вполне типично, если бы не одно но. Дело в том, что согласно Статье 13.3 Кодекса Российской Федерации об административных правонарушениях «Проектирование, строительство, изготовление, приобретение, установка или эксплуатация радиоэлектронных средств и (или) высокочастотных устройств без специального разрешения (лицензии), если такое разрешение (такая лицензия) обязательно (обязательна), – влечет наложение административного штрафа на граждан в размере от пяти до десяти минимальных размеров оплаты труда с конфискацией радиоэлектронных средств и (или) высокочастотных устройств или без таковой; на должностных лиц – от десяти до двадцати минимальных размеров оплаты труда с конфискацией радиоэлектронных средств и (или) высокочастотных устройств или без таковой; на юридических лиц – от ста до двухсот минимальных размеров оплаты труда с конфискацией радиоэлектронных средств и (или) высокочастотных устройств или без таковой».
Есть и еще одно, куда более серьезное препятствие. Дело в том, что точек доступа и беспроводных адаптеров с мощностью передачи более 100 мВт, что эквивалентно 20 dBm (о том, как связаны эти единицы между собой, мы расскажем чуть позже), просто-напросто не продается (речь, конечно, идет об устройствах, ориентированных на конечных пользователей).
Что же остается делать в сложившейся ситуации? Отказаться от использования беспроводных решений вообще? Отказаться, конечно, можно, но… есть и другой выход – использовать внешние антенны, которые, с одной стороны, не меняют параметров ЭИИМ (а значит, и закон не нарушается), а с другой стороны, усиливают сигнал. Итак, рассмотрим более подробно основные характеристики усиливающих внешних антенн.
Несмотря на то, что все внешние антенны называются усиливающими и характеризуются коэффициентом усиления, на самом деле они не увеличивают мощность передаваемого сигнала (как многие ошибочно считают). То есть, если мощность передатчика, к примеру, составляет 50 мВт, то какую бы антенну мы не поставили, мощность передаваемого сигнала от этого не изменится. Дело в том, что все антенны подобного рода являются пассивными и брать энергию для усиления передаваемого сигнала им попросту неоткуда. Поэтому не будем путать антенны с ретрансляторами сигналов. В чем же тогда заключается эффект усиления сигнала передающей антенной?
Представьте себе лампочку, освещающую помещение в комнате. 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 параболический зеркальный отражатель позади лампочки. В этом случае мы получим направленное распространение света (луч света). Такой луч света не будет освещать всю комнату, зато способен 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.
Антенны излучают энергию во всех направлениях. Однако в большинстве случаев эффективность передачи сигнала для различных направлений неодинакова и характеризуется диаграммой направленности.
В идеальном случае изотропной антенны, то есть точечной антенны, излучающей энергию одинаково по всем направлениям, диаграмма направленности представляет собой сферу, центр которой совпадает с положением точечной антенны.
Как правило, диаграммы направленности антенн представляются как два двухмерных поперечных сечения трёхмерной диаграммы: горизонтальное и вертикальное сечения. 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 бы прямо пропорционально энергии, излучаемой антенной в данном направлении.
Направление максимального излучения называется главным лепестком антенны. Остальные лепестки диаграммы направленности антенны являются побочными, а лепесток излучения в сторону, обратную главному направлению, называется задним лепестком диаграммы направленности антенны.
Пример диаграммы направленности излучения антенны показан на рис. 1.
Коэффициент усиления антенны
Коэффициент усиления антенны – это тот самый момент, который может поставить в тупик даже самых продвинутых инженеров, специалистов в области радиочастотных технологий. Даже в законодательстве указано, что «Эффективная излучаемая мощность не превышает…», что опирается на мощность, подводимую ко входу антенны, помноженную на коэффициент усиления антенны. Считается, что в момент проявления коэффициента усиления антенна сама внутри себя магическим образом создает некую энергию. К несчастью, это не так. Если вы посмотрите на антенну, то увидите, что основной материал, из которого она сделана это золото, серебро, медь – эти материалы подходят лучше всего, затем идет алюминий. Сами по себе эти материалы не могут создавать энергию внутри себя.
Прежде чем начать что-то объяснять, сначала необходимо дать определение некоторым терминам, для более доходчивого объяснения, что же такое коэффициент усиления антенны.
децибел (дБ): единица измерения затуханий, служит для выражения коэффициента усиления. Коэффициент усиления имеет положительное значение, затухание – отрицательное, вычисляется по формуле:
10* log ( P на выходе/ P на входе)
Коэффициент усиления антенны: относительное увеличение излучения в пиковый момент, величина которого, выраженная в дБ, выше эталонного, в этом случае штатная антенна, антенна диполь в половину длины волны (как в случае с двухполюсными антеннами), которой измеряются все прочие антенны. Используемое обозначение известно как 0дБд (0 децибел относительно диполя). Таким образом, антенна с эффективной излучаемой мощностью в два раза выше входной мощности будет иметь коэффициент усиления 10* log (2/1) = 3дБд
Диаграмма направленности: графическое представление зависимости интенсивности излучения от угла направления антенны от перпендикуляра. Обычно график имеет круглый вид, интенсивность обозначена расстоянием от центра относительно соответствующего угла.
Все диаграммы направленности, которые показаны на этой странице, составлены для антенн с вертикально установленными элементами антенны, вид дан со стороны (т.е. под прямым углом к антенне), как показано на изображении рядом.
Угол излучения: Существует общепринятое мнение, что ширина диаграммы направленности антенны – это угол между двумя точками (в той же плоскости) между которыми излучение происходит в «половину мощности», т.е. на 3дБ меньше максимального излучения. Другие цифры, кроме 3дБ, не позволят улучшить репутацию антенны, поскольку в этом случае возникнет ощущение, что антенна имеет более широкую/узкую ширину диаграммы направленности антенны, а серьезный инженер не стал бы доверять такой конструкции.
Зона уверенного приема: Такая физико-геологическая зона, в которой принимается сигнал, обычно описывается как расстояние по радиусу от места, где расположена антенна.
Для начала давайте сначала возьмем в качестве эталона антенну диполь в половину длины волны и «поместим» ее свободно в пространстве (т.е. не будем учитывать все, что находится рядом, например крепление и т.п., которые могли бы влиять на антенну). Диаграмма направленности такой антенны обычно называется «пончик», она проиллюстрирована ниже на рисунке.
Поскольку материал не может создавать мощность, то единственной альтернативой является концентрация бесполезно израсходованной энергии, например той, которая идет в направление неба, и направление ее по нужному направлению в горизонтальной плоскости. Результат виден на соседнем рисунке. Форма излучения изменилась таким образом, что та энергия, которая расходилась в стороны, теперь сконцентрирована для усиления средней половины. В результате мощность излучаемой энергии удваивается в требуемом направлении, коэффициент усиления – 3дБ.
Такая концентрация энергии может быть усилена еще более, от 6дБ (в 4 раза) до 9 дБ (в 8 раз). Диаграммы видны на рисунках ниже.
Теперь ясно, для того чтобы у антенны появился коэффициент усиления, нужно всего лишь сконцентрировать ее излучение (т.е. изменить «пончик» на диаграмме до формы тонкой «лепешки»), сделав, таким образом, излучение более интенсивным вдоль горизонтальной плоскости. Антенны с излучением по всем направлениям и коэффициентом усиления выше 9дБ непрактичны в с илу того, что концентрация энергии напрямую связана с длиной (с длинах волны) антенны. Однако, есть еще один метод концентрации излучения, который позволяет направить излучение только в одном направлении.
Если рефлектор помещен рядом с антенной диполь, то вся энергия, которая бы направлялась в направлении рефлектора, теперь отражается назад в направлении антенны диполь. Таким образом, вся энергия теперь сконцентрирована только в одной полусфере, в результате излучаемая энергия удваивается в данном направлении, коэффициент усиления – 3дБ.
Дальнейшая концентрация энергии, может быть получена с помощью использования «директоров (направителей)» и, опять же, делая угол все меньше и меньше, фокусируя всю энергию в одном направлении. Таким образом достигается более высокий коэффициент усиления. Обычно достигается коэффициент усиления в 20 дБ. Эффективный угол такой антенны мал (обычно ± 10 градусов)
В случае с антеннами с направленным излучением, нужно знать еще одну величину.
Даже сплошной кусок металла в качестве рефлектора не сможет полностью изолировать от заднего излучения по причине дифракции. Досадно, но самые кончики металла станут причиной того, что сигнал будет поворачиваться на углах рефлектора в обратном направлении (или, в случае приема, от задней части по направлению к антенне диполь).
Коэффициент такого обратного излучения антенны определяется относительно переднего (требуемого) направления антенны и обычно выражается в дБ.
В заключение:
Антенны вовсе не производят сами собой неким магическим образом энергию, они всего лишь концентрируют излучаемую радиочастотную энергию в узком направлении таким образом, что возникает ощущение, будто из антенны в требуемое направление выходит больше мощности.
Насколько видно из вышеописанного, коэффициент усиления также является «потерей». Чем выше коэффициент усиления антенны, тем менее угол ее полезного использования. От внимания многих ускользает тот факт, что энергия была «украдена» у прочих направлений, а затем навязана излучению в требуемом направлении.
Направленность антенн в маршрутизаторах и точках доступа
Содержание
Содержание
Правильный роутер нужно выбирать не по внешнему виду и количеству лампочек, а по техническим характеристикам. Но чтобы понять, о чем идет речь в описании устройства и для чего маршрутизатору нужен коэффициент усиления сигнала, необходимо запастись теоретическими знаниями. Например, какие антенны бывают, почему они вращаются, и как это влияет на качество сигнала — эти и другие вопросы мы разберем в нашем материале.
Первая попытка передать информацию с помощью радиоволн была предпринята в 1896 году русским ученым Александром Степановичем Поповым. Ему удалось продемонстрировать процесс передачи электрических импульсов «беспроволочным» методом. Естественно, открытие заинтересовало ученых по всему миру, и каждый талантливый изобретатель того времени начал «приручать» радиоволны. Гонка за беспроводным сообщением способствовала ряду важных открытий: сначала придумали телеграф, затем радио, телефон и телевидение.
Спустя 120 лет технология была улучшена и оцифрована для эффективной работы в современных реалиях, но принцип приема и передачи сигналов не изменился. Чтобы отправить информацию по воздуху, роутеру необходим стандартный набор оборудования. Один из ключевых блоков беспроводной системы — антенна.
Антенны
Чтобы настроиться на одну из радиостанций, приемнику достаточно металлического штырька или небольшого отрезка проволоки. Для приема цифрового ТВ телевизору нужны специальные «рожки», а роутер может обойтись встроенной антенной в виде полоски меди на текстолите — требования к антеннам зависят от типа сигнала и его мощности. Вопреки всеобщему заблуждению, антенна — это пассивное устройство, которое самостоятельно не передает и не принимает сигнал, а лишь концентрирует его. Причем в качестве сигнала могут выступать не только радиоволны, но и свет.
Представим фонарик с лампой накаливания: вольфрамовая спираль излучает яркий свет, мощности которого достаточно, чтобы осветить объект на расстоянии всего лишь 5-10 сантиметров. За пределами этой дистанции свет очень быстро рассеивается и теряется в пространстве. Это происходит из-за того, что лампа имеет рассеянное свечение, и световые волны не достигают дальних объектов без вспомогательных инструментов, например, отражателя. Он превращает беспорядочное движение фотонов света в направленный и организованный поток. В случае с беспроводной связью, роль отражателя играют антенны — они отличаются формами и конфигурациями, а характеристики антенны влияют на качество сигнала и его дальнобойность.
Коэффициент усиления
На сухом техническом языке коэффициентом усиления (КУ) называют некое отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности сигнала настоящей антенны. Эталонной антенной считается изотропный излучатель, который принят как виртуальная величина и не существует как таковой. Изотропный излучатель испускает радиосигнал равномерно во всех направлениях, не имеет мертвых зон и создает покрытие в форме сферы. Чем мощнее эта антенна, тем больше сфера и, соответственно, площадь покрытия сигналом.
Представим, что лампочка в фонарике представляет собой тот самый изотропный излучатель, который отправляет свет во все стороны. Сама по себе лампочка не способна осветить даже часть письменного стола — свет будет рассеянным и тусклым. Но можно сделать так, чтобы маломощный источник превратился в настольную лампу. Для этого нужен отражатель: помещаем его перед лампой и наблюдаем, как часть потерянного света возвращается отражателем в заданном направлении. В таком случае, лампа без отражателя считается изотропным излучателем, отражатель выступает в роли антенны, а разница в мощности свечения между лампочкой и лампочкой с отражателем — это коэффициент усиления антенны. КУ измеряется в децибелах и понимается, как «раз» — во сколько «раз» мощнее?
В примере с фонариками коэффициент усиления зависит от качества и размера отражателя — чем лучше и больше его поверхность, тем больше света будет отражено в нужном направлении. Коэффициент усиления пассивных радиоантенн зависит от типа антенны, ее размеров, а также от состава примененных в ней материалов. Например, медь имеет больший КУ, чем алюминий. На качество усиления также влияет настройка: каждая антенна должна быть настроена на строго определенную частоту.
Типы антенн
Планету опоясывают миллионы сигналов и радиоволн. Можно представить, насколько разными должны быть эти сигналы, чтобы все приемники и передатчики понимали, кому и что адресовано в этом мире. Поэтому для каждой сферы беспроводной передачи применяются разные антенны: для коротких и длинных волн, для спутниковых сигналов, есть даже зеркальные антенны телескопа Хаббл для приема инфракрасного излучения дальних галактик. Антенны делятся на десятки видов и подвидов, но любителю достаточно знать о самых распространенных, чтобы понимать, как работает домашняя беспроводная сеть.
Всенаправленные антенны — те самые рожки, которые установлены в роутерах или адаптерах Wi-Fi по умолчанию. Эти антенны рассчитаны на работу в помещении и настроены таким образом, чтобы как можно лучше покрыть его стабильным сигналом. Эти антенны называют всенаправленными. Если рассмотреть создаваемое ими покрытие в двух плоскостях, то получится такая диаграмма:
Антенна имеет идеальное горизонтальное покрытие, тогда как под ней и над ней остаются мертвые зоны — если сложить диаграмму в 3D-модель, то получится пончик:
Коэффициент усиления всенаправленных антенн, как правило, не превышает 5-6 дБ — этого достаточно, чтобы обеспечить связью дом, квартиру или небольшой офис, но совсем мало для того, чтобы отправить сигнал за несколько сотен метров от точки доступа. Чаще всего такой тип излучателей применяется в домашних роутерах в виде штатных съемных и несъемных антенн.
Если вернуться к примеру с лампами, то всенаправленной антенной (отражателем) света можно считать матовую колбу, которая равномерно распространяет свет вокруг себя. Похожая система применяется в диодных лампах со стандартным цоколем.
Направленные антенны — распространенный тип антенн, которые так же применяются в домашних беспроводных системах. Задача такой антенны — передавать сигнал строго в заданном направлении. Из-за того, что антенна имеет узкий диапазон покрытия и превращает сигнал практически в острую пику, ее целесообразно использовать только за пределами помещений, чтобы передавать сигнал на расстояние до нескольких десятков километров. Диаграмма направленности радиоволн таких излучателей выглядит следующим образом:
Если представить сигнал направленной антенны в форме 3D-фигуры, то получится следующий объект:
Сигнал такой формы рассматривается в лепестках. У классической направленной антенны всего четыре лепестка: два боковых, один задний и один передний. Передний лепесток —основной, он излучает поток радиоволн с высоким КУ.
Как правило, такие антенны применяют для организации радиомостов между двумя удаленными беспроводными точками, например, для передачи интернета из одной части города в другую. За дальнобойность системы приходится платить практически нулевым качеством покрытия сети в любом месте возле направленной антенны. Зато коэффициент усиления таких антенн будет самым высоким — до 34 дБ.
Направленные антенны применимы не только к радиосвязи, но и к световым волнам. Удачный пример направленной антенны для света — это морской маяк, который использует систему зеркал и отражателей, чтобы сформировать свет в узкий пучок и доставить его к самому горизонту.
Секторные антенны — это направленные антенны с видоизмененным лепестком основного сигнала. Секторные антенны имеют меньшую дальнобойность, но покрывают сигналом уже целый сектор. Диаграмма сигнала таких антенн отображает широкий лепесток покрытия в одном направлении, который при этом сохраняет достаточную дальнобойность:
Секторные антенны обладают широким углом покрытия горизонта — до 90 градусов, но сильно урезают сигнал по вертикали.
Такие излучатели используются для распространения сети на средние расстояния сразу нескольким абонентам в пределах лепестка диаграммы. Как правило, это системы усиления сигнала 3G/4G, а также корпоративные системы беспроводной связи — для покрытия сетью дворов, больших помещений или торговых центров.
Коэффициент усиления секторных антенн составляет 16–20 дБ. Этот максимум обусловлен умеренной широтой лепестка, хотя может быть увеличен вплоть до 70 дБ с помощью активного усилителя сигнала.
Без примера на лампочках не обойтись: секторной антенной для источника света можно считать отражатель особой формы или линзу, которые формируют из волн не узкий пучок, а широкое световой пятно. Идеальный «секторный» свет — карманный фонарик.
Отражатель для роутера
С помощью отражателей можно получить свет различного качества и формы. Например, если применить плоский отражатель, то световой поток будет максимально рассеянным, но достаточно ярким, чтобы осветить перед собой пару метров темноты.
Если же зеркальная поверхность примет форму полусферы, то отраженный свет будет сформирован в пучок и станет заметно ярче, чем до процесса переотражения. Если же модифицировать систему с помощью отражателя и дополнительной линзы, то полученным лучом света уже можно «достать» до дома напротив. При этом, несмотря на разницу в яркости и дальнобойности, лампа фонарика остается постоянной величиной.
Такие же переотражения происходят, когда антенны формируют сигнал — это могут быть как направленные, так и всенаправленные волны. Более того, универсальные излучатели в домашнем роутере можно превратить в секторные — для этого необходимо за антенной установить металлический отражатель с такой же формой, как у отражателя фонарика. Выглядит необычно, но работает эффективно.