Infotabula

Автор: Charles R. Hampton, переклад.
Джерело: www.allaboutcircuits.com

Wi-Fi зв’язок грунтується на передачі та прийманні енергії радіохвиль з допомогою антен. Кращі антени матимуть краще покриття, і розуміння основ полегшує вибір правильної антени.

Загальні основи антен

Хоча предметом цієї серії статей є саме антени для Wi-Fi, проте буде корисно навести деякі первинні відомості про антени в загальному. Це перша з серії статей.

Антена це пристрій що випромінює радіохвилі при надходженні електричної енергії, і навпаки, перетворює радіохвилі в електричну енергію. Антени інколи спеціально створюються, щоб бути антенами, а іноді створюються для інших цілей (як наприклад дроти ваших навушників), але вони попутно виконують роль антени.

Антени завжди направлені – тобто, вони передають і приймають радіохвилі краще в деяких напрямах ніж в інших. Ті, що не призначені бути направленими називають всенаправленими (“omnidirectional”) або ненаправленими (“nondirectional”) навіть коли вони ніколи не є досконало ненаправленими.

Довжина хвиль, частота і довжина антени

Радіохвилі, як і всі хвилі в електромагнітному спектрі, вимірюються частотою, і одиницею виміру є Герци, абревіатура Гц (Hz), яка означає один період за секунду. Герц назвали в честь Генріха Рудольфа Герца, першої людини, яка довела існування електромагнітних хвиль. Базова одиниця Герц часто іде разом із множником таким як кіло (1,000), мега (1,000,000) або гіга (1,000,000,000).

На додаток до Герца, який є одиницею частоти, радіохвилі інколи позначають в термінах довжини, використовуючи слово «довжина хвилі» (wavelength). Як ви можливо здогадуєтесь, терміни Герц і довжина хвилі математично пов’язані, і наведена нижче формула широко використовується для визначення співвідношення:

довжина хвилі (в метрах)  = 300 / частота (в MГц)

Наприклад, частота 14.300 MГц має довжину хвилі 20.979 метрів. Це співвідношення між частотою та довжиною хвилі особливо важливе для проектування антен, тому, що довжина хвилі певної частоти використовується для обрахунку багатьох розмірів при проектуванні антен.

Дипольні антени

Однією з найпростіших антен є так званий «пів-хвильовий диполь», довжина якого в загальному ½ довжини хвилі, і складається з двох половин, кожна з яких має ¼ довжини хвилі. Кожна з двох половин живиться своїм окремим провідником фідерної лінії.

Для частоти 14.300 MГц , наприклад , диполь теоретично мав би бути 10.4895 ( ½ від 20.979) метрів з одного кінця в інший, і мав би складатися з двох елементів, кожний довжиною 5.24476 м. Проте антени не завжди конструюються точно у відповідності до обрахованих теоретичних розмірів.

Фотографії наведені нижче показують набагато менші (саморобні) диполі для приймання короткохвильового діапазону цифрового телебачення, і демонструють простоту, яка характерна для всіх диполів незалежно від частоти з якою вони працюють.

Випромінювачі зроблені з стального дроту, що вирізаний зі звичайної вішалки для одежі і під’єднаний до коаксіальної лінії передачі з допомогою стального гвинта з гайкою. Невеликий шматок макетної плати є центральним ізолятором і конструкційною основою для кріплення випромінювачів. І так, незважаючи на грубу конструкцію антени, вона приймає HDTV сигнал із передавача на відстані до 32 км, якщо висить на задній кришці телевізора на висоті 1,2м. (На основі поданої в цій статті інформації, ви тепер можете обрахувати частоту або довжину).

Поляризація антени

Орієнтація антени по відношенню до поверхні землі називається поляризацією. Ті що призначаються для радіохвиль орієнтованих в основному паралельно поверхні землі називають горизонтальними, а ті що призначаються для радіохвиль орієнтованих в основному під прямим кутом до поверхні землі називаються вертикальними.

Деякі антени, подібно до диполя зображеного вище, можуть бути використані для обох поляризацій просто змінюючи їх орієнтацію. В орієнтації показаній вище, елементи диполя паралельні до поверхні землі і тому антена поляризована горизонтально. Переорієнтація диполя так щоб кінці елементів були спрямовані вверх і вниз робить його вертикально поляризованим.

У прийнятті рішення про вибір однієї або іншої поляризації враховуються такі фактори: частота, бажане покриття, механічні обмеження та прийнята практика. Дуже важливим фактором є також те, що всі антени всередині системи зв’язку мають використовувати однакову поляризацію. Коли існує мішанина поляризацій всередині системи, або коли поляризація деяких антен невідома, іноді використовується кругова поляризація для того, щоб максимізувати сумісність. Wi-Fi антени майже завжди вертикально поляризовані.

Підсилення антени

Як було вже сказано, антени передають (або приймають) радіохвилі краще в певних напрямках, тим самим збільшуючи ефективну потужність випромінювання (ЕПВ) («effective radiated power» (ERP)) в цих напрямках. Слід зазначити, що загальна потужність випромінювання не збільшується, а лише є сильнішою в одному або декількох напрямках і слабшою в інших. Навіть простий горизонтальний диполь має підсилення в двох напрямках: паралельних до випромінювачів з фронтальної і зворотньої сторони.

Це збільшення в ЕПВ називають підсиленням, і застосовується як до сигналу, який передається, так і до того, що приймається. Одиниця виміру, що найчастіше використовується для визначення величини підсилення – децибел, або dB, яка базується на Бел, названої на честь Олександра Грехема Бела. Якщо ви хочете зрозуміти, як вираховувати бели та децибели, зробіть це самостійно. Досить сказати, що чим вище значення dB, тим більше підсилення антени.

На додаток до dB, є інша одиниця, що використовується для опису підсилення антени: dBi – децибел ізотропний. Ізотропне джерело – це теоретична антена що складається з однієї точки, яка випромінює радіочастоту у всіх напрямках у вигляді сфери. dB частіше використовується для того, щоб вимірювати підсилення антени з такої причини: результат виражений в dBi має більше значення ніж значення в dB, що створює враження більшого підсилення, хоча насправді це не так.

Точні методи для визначення dBi не є важливими для цієї розмови. Просто памятайте наступне: чим вище dB або dBi тим вище підсилення, і якщо ви порівнюєте антени, переконайтесь, що підсилення вимірюється в одних і тих самих одиницях.

Wi-Fi частоти

Є п’ять різних смуг, що використовуються для Wi-Fi звязку: 2.4ГГц, 3.6ГГц, 4.9ГГц, 5ГГц, and 5.9ГГц. Смуги варіюються від країни до країни. Найбільш широко використовуються смуга 2.4ГГц, вона і буде в центрі уваги цієї статті, але основні принципи можна застосовувати до всіх смуг.

2.4ГГц смуга простягається від приблизно від 2.4ГГц до 2.5ГГц; тому, приблизний центр смуги 2.45ГГц, і він буде використовуватись в подальшому для розрахунків.

Формулу яка наводилась вище:

довжина хвилі (в метрах)  = 300 / частота (в MГц)

зручно перетворити в наступний вигляд:

довжина хвилі (в міліметрах) = 300 / частота (в ГГц)

Тому, довжина хвилі 2.45ГГц сигналу – 122.45 мм. Диполь для 2.45ГГц має довжину 61.22 мм з кінця в кінець і кожна з двох половин завдовжки 30.61 мм. Тобто елементи досить малі для смуги 2.4ГГц, і ще менші для інших чотирьох смуг.

Wi-Fi диполь

На фотографії нижче, зображені дві Wi-Fi антени, що були демонтовані з 2.4ГГц безпровідного роутера. Нижня антена покрита пластмасовим корпусом і кріпиться до основи з допомогою шарнірного з’єднання для можливості зорієнтувати антену вертикально, незалежно від того, як зорієнтований роутер. На верхній фотографії, пластмасовий корпус видалений  для того, щоб відкрити внутрішню будову антени.

Хоча це і не зразу стає очевидним, але антена є диполем. Одна половина диполя – це білий провід, що виступає вліво, а інша половина диполя – це металічний циліндр. Кожна половина електрично ізольована одна від одної, і їх розмір складає приблизно ¼ довжини хвилі. Такі антени мають підсилення приблизно 2dBi, і мають майже кругову діаграму спрямованості.

В обох випадках, провідна фідерна лінія йде від низу антени, який під’єднується до передавача Wi-Fi. Фідерна лінія – це коаксіальний кабель з внутрішнім провідником і зовнішнім плетеним екраном, пластмасовий корпус покриває лінію живлення. Цей особливий вид подачі сигналу від Wi-Fi пристроїв використовується через малі розміри і відносно низькі радіочастотні втрати, і називається RG-178. Цю фідерну (від англ. feed – живлення) лінію часто називають «коаксіал» (“coax”).

Інший кінець коаксіального кабелю під’єднаний до роутера, як показано нижче. Зверніть увагу, що екран надійно припаяний до площини заземлення на друкованій платі, а центральний провідник припаяний до доріжки на друкованій платі, яка веде до передавача всередину золотої металічної коробки. На вставці показаний альтернативний стиль пайки; інколи до друкованої плати припаюється роз’єм, і коаксіальний кабель також оснащується роз’ємом, який і під’єднується до роз’єму на платі.

Далі буде

На цей час, ви мали б зрозуміти основи антен, і їхнє застосування у Wi-Fi. Наступні статті в цій серії, будуть зосереджуватись як на ненаправлених так і направлених антенах для Wi-Fi, причому, як промислового виготовлення так і саморобних. Будуть надані рекомендації для побудови, розширення та покращення вашої Wi-Fi мережі.