Infotabula

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

Загальна інформація

Перша стаття в цій серії описувала деяку загальну інформацію про зв’язки між Wi-Fi радіочастотою, довжиною хвилі і направленістю антен. Ці відомості мають вирішальне значення для повноти розуміння даної статті, тому, якщо ви ще не читали першу частину, або вже не пам’ятаєте подробиць, перегляньте її знову.

Що таке всенаправлені Wi-Fi антени?

Як вже було раніше сказано, тільки справжня всенаправлена антена є ізотропним джерелом,  тобто теоретичним точковим джерелом, що випромінює однаково у всіх напрямках. Тому, якщо б можна було бачити випромінювання, то воно мало б вигляд сфери, яка була б дуже щільною в центрі і ставала б менш щільною при збільшенні відстані від центру. Якщо б така антена існувала, то вона була б доцільною в далекому космосі, але не дуже корисною на Землі.

На нашій планеті, антени, що випромінюють однаково добре у всіх напрямках паралельних до поверхні, називають «всенаправленими», і більшість є вертикально поляризованими. Досконало вертикально поляризовані всенаправлені антени будуть випромінювати тороїдальну діаграму направленості з антеною в самому центрі. Звичайно, не існує ідеальних антен, тому і не існує досконалих тороїдальних діаграм направленості, всі реальні антени мають деякі недоліки в діаграмах.

Три найбільш поширених вертикально поляризованих антени:  пів-хвильовий диполь,  чверть-хвильова заземлена пластина, колінеарна антенна гратка.

Пів-хвильовий диполь

Найбільш поширені кімнатні Wi-Fi антени – це пів хвильові диполі. Багато безпровідних точок доступу і роутерів використовують півхвильові диполі, що розміщуються в пластмасових корпусах, які виступають із задньої сторони пристрою. На фотографії нижче зображена така антена, яка була вилучена з пластмасового корпусу.

Laird – великий виробник антен всіх видів. Їхня лінійка Wi-Fi продукції дуже широка і різноманітна, і включає в себе різноманітні півхвильові диполі, один з найпростіших – це WXE 2400. Частина таблиці характеристик для WXE 2400, наводиться нижче. Розуміння характеристик важливе при порівнянні різних антен.

Деякі з пунктів були описані в першій частині.

• VSWR – КСХН – Коефіцієнт Стоячої Хвилі по Напрузі (Voltage Standing Wave Ratio), він відображає відношення величини енергії відбитої антеною назад в коаксіальний кабель до величини, яка була передана антеною. Чим менше значення КСХН – тим краще працює антена; в ідеальної антени КСХН дорівнює 1:1. Значення КСХН = 2:1 означає, що приблизно 90% або більше енергії, яка надійшла антені WXE2400, буде випромінюватись.
• Gain – Підсилення  в 3.0dBi означає краще підсилення ніж в ізотропного джерела. Чим вище значення підсилення – тим краща антена.
• Nominal Impedance – Номінальний хвильовий опір  відноситься до вхідного опору антени. Багато антен мають номінальний хвильовий опір 50 Ом і повинні живитись коаксіальною лінією, що також має опір в 50 Ом.
• Power Rating – Рівень потужності – означає максимальну величину енергії, яка може передаватись через антену без ризику пошкодити її. Wi-Fi передавачі, зазвичай, мають дуже малу вихідну потужність.
• Temperature – Температура визначає межі температурного режиму антени.
• Length – Довжина  – загальна довжина антени включаючи пластмасове покриття.
• Drop Test – Тестове Падіння  визначає висоту, з якої антену можна кинути без ризику пошкодження.

Wi-Fi диполь своїми руками

Виготовлення диполя не дуже складне, якщо у вас є деякі основні ручні інструменти і ви не надто переймаєтесь зовнішнім виглядом. Саморобний пів-хвильовий диполь для 2.4ГГц показаний на фото нижче. Антенний елемент має бути віддалений від вертикальної частини коаксіального кабелю щонайменше на ¼ довжини хвилі (30.5мм).

Деталі активного елементу показані на наступному фото. RG174/U коаксіальний кабель проходить через малий отвір в центрі пластини склотекстоліту; центральний провідник припаяний до однієї сторони, а обплетення до іншої сторони. Зазвичай, до елементу орієнтованого вверх, припаюють центральний провідник коаксіального кабелю.

Чверть-хвильова заземлена пластина своїми руками

Хоча вона нечасто використовується для Wi-Fi, антени чвертьхвильових заземлених пластин популярні для інших частот і легко виготовляються. Саморобна чвертьхвильова заземлена пластина для 2.4ГГц показана на фото нижче.

Деталі активних елементів показані на наступних фото. Коаксіальний кабель RG174/U проходить через малий отвір в центрі фольгованої склотекстолітової плати, центральний провідник використовується як вертикальний елемент і має довжину приблизно 30.5мм. Коаксіальне обплетення припаяне до верхньої сторони пластини друкованої плати.

Колінеарна антена

Колінеарна антена насправді є цілим масивом дипольних антен, що розташовані одна за одною, так, що вони утворюють одну лінію, тобто “co linear.”

Laird має широкий асортимент колінерних антен для wi-fi, і одна із серій має назву OD24. Частина характеристик цієї серії відтворена нижче.

Пункти характеристики, що були пояснені в частині статті про диполі, тут повторюватись не будуть.

• Input Return Loss (S11) – Зворотні Втрати на Вході (S11) описують скільки енергії відбивається назад в коаксіальний кабель з антени. Зверніть увагу, втрати виражені негативним числом, і тому чим більше (негативне) число тим краща антена. КСХН (VSWR) є подібною величиною і можливо легшою для розуміння; дивись пояснення в секції диполя цієї статті.
• Pole Diameter – Діаметр основи  – це діапзон розмірів основи яким задовільняє кріплення антени.
• Rated Wind Velocity – Допустима швидкість вітру – це максимальна швидкість вітру на яку розрахована антена.
• Vertical Beamwidth – Вертикальна Ширина променя – ширина випромінюваного сигналу у вертикальній площині.
• Electrical Downtilt – Електричний нахил вниз  – пов’язаний з вертикальною смугою пропускання, і використовується для того, щоб нахилити злегка антену в напрямку землі на відміну від спрямування на горизонт.
• Weight – Вага  – вага антени з кріпленням, це не вага упакованої антени.
• Diameter – Діаметр  попереднього перерізу антени.
• Wind Loading – Парусність – це сила яка діє на антену при даній швидкості вітру.

Колінеарна антена своїми руками

(якщо ви впевнені що хочете)

Креслень для колінеарних Wi-Fi антен є в достатку в інтернеті. Одна з найбільш поширених конструкцій показана нижче.

Інструкції часто надають досить точну  інформацію про конструкцію, як це показано вище і включають припущення, що ви можете додати скільки забажаєте секцій в центрі,  для того, щоб збільшити підсилення. Деякі конструкції містять водонепроникні корпуси з PVC труби. Мабуть, хтось успішно виготовляє такі… але це не стосується вашого покірного слуги.

Декілька різних моїх спроб не дали прийнятного результату. Ці спроби включали трьох елементу версію, яку ви бачили вище, шести елементну версію (з або без ізоляції) і врешті дев’яти елементну версію побудовану з дроту 18 AWG, три нижні елементи, якої, показані нижче.

Варіації будувалися з і без заземлених площин. Ted Hebron продукт-менеджер Laird надав такі поради стосовно заземлених площин на колінеарних антенах:

Зазвичай, колінеарні гратки проектуються так, щоб бути саморезонуючими структурами і не потребують заземленої площини. Справді, для цього типу конструкції металічна заземлена пластина буде як металічна перешкода, яка розташована в безпосередній близькості до антени і збурює як діаграму направленості так і хвильовий опір. В результаті можна отримати неочікувані нулі в діаграмі направленості, внаслідок відбивання/розсіювання або невідповідність хвильових опорів . Але для того, щоб зробити антену меншого розміру, можна використовувати заземлену прощину. В цьому випадку, її вводять спеціально як частину конструкції.

Порівняльні тести антен

Правильне тестування RF передачі … включаючи антени … вимагає складних процедур, об’єктів і обладнання. Хочу зазначити, що автор не мав ніякої вигоди з цього. Отже, була спроба зробити наступне.

Використовуючи модуль ESP-01 створена Wi-Fi точка доступу .

• Використовуючи модуль ESP-01 створена Wi-Fi точка доступу.
• Точка доступу була розміщена за стіною збудованою з гіпсокартону та цегли в один ряд.
• По черзі підєднював різні антени до USB Wi-Fi адаптера ALFA AWUS036NH. (див. фото нижче)
• Визначав силу сигналу в меню на тестовій точці доступу для кожної антени багато разів і усереднював результат
• Створив таблицю наведену нижче.

Якщо подивитись на результати в таблиці, то можна побачити що числа відємні і це означатиме що чим нижче число тим сильніший сигнал.

Грунтуючись на цих цифрах, можна зробити висновок, що саморобний диполь з друкованої плати та чверть хвильова антена із заземленою пластиною були виготовлені успішно, але 9 елементна колінеарна антена не краща за заземлену пластину. Що м’яко кажучи розчаровує.

Все це, не доводить, що популярні колінеарні саморобні конструкції мають якісь недоліки. Можливо  винна “майстерність” автора або тестування, самі по собі, були недостатньо коректними. Незалежно від причин, жодна моя саморобна колінеарна антена не дала хорошого результату. Але можливо ваші зусилля увінчаються успіхом.

Наступного разу

Темою третьої частини серії, будуть напрямлені Wi-Fi антени. Слідкуйте за публікаціями.