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.

В физике мощность принято измерять в Ваттах (Вт). Однако, в теории связи для измерения мощности сигнала чаще используют децибелы (дБ). Децибел – это производная (десятая часть) единица от Бела (Б). Данная единица измерения является логарифмической и может использоваться лишь для сравнения одноименных физических величин. К примеру, если сравнивается 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 (lg A/B), то мы получим сравнение этих величин, но выраженное уже в Беллах, а выражение 10lg A/B определяет сравнение этих величин в децибелах. 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, для этого в качестве второй величины, с которой производится сравнение, принимается некоторое эталонное значение. К примеру, чтобы выразить абсолютное значение мощности сигнала в децибелах, за эталонное значение принимается мощность в 1 мВт, и уровень мощности сравнивается в децибелах с мощностью в 1 мВт (10lg P(мВт)/1 мВт). Данная единица измерения получила название децибел на милливатт (дБм) и показывает, на сколько децибел мощность измеряемого сигнала больше мощности в 1 мВт.

Возвращаясь к нашим антеннам и передатчикам, теперь становится понятным, как связаны между собой мощность передатчика, выраженная в мВт с его мощностью в дБм. Так, нетрудно рассчитать, что мощности 100 мВт соответствует мощность 20 дБм, а мощности 50 мВт – мощность 17 дБм.

Диаграмму направленности антенны также можно характеризовать децибелами, выбирая в качестве эталонной диаграмму изотропного источника. В этом случае говорят об изотропных децибелах (дБи или dBi) Именно в этих единицах измерения принято выражать коэффициент усиления антенны.

Коэффициент усиления антенны определяется как отношение мощности сигнала, излучённого в определённом направлении, к мощности сигнала, излучаемого идеальной ненаправленной (изотропной) антенной в любом направлении. То есть, если коэффициент усиления антенны в заданном направлении составляет 5 dBi, то это означает, что в данном направлении мощность излучения на 5 дБ (в 3,16 раза) больше, чем мощность излучения идеальной изотропной антенны. Естественно, что увеличение мощности сигнала в одном направлении влечёт за собой уменьшение мощности в других направлениях. Таким образом, коэффициент усиления характеризует направленность сигнала, а не увеличение выходной мощности по отношению к входной, поэтому данный параметр также называют коэффициентом направленного действия.

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

Изменение диаграммы направленности антенны влечёт за собой изменение максимального расстояния, на которое можно передать сигнал. Кроме того, в сравнении с изотропной антенной, в зоне главного лепестка диаграммы направленности достигается более высокий уровень сигнала, а, следовательно, и большая скорость передачи.

В принципе, любую изотропную антенну можно самостоятельно превратить в направленную, используя для этого отражающий экран (рефлектор). Ничего сложного в этом нет, и многие энтузиасты занимаются этим, изготовляя забавные антенны из консервных банок и других подручных материалов. Но… зачем изобретать велосипед, если то же самое можно купить в заводском исполнении. Ведь такие внешние направленные антенны предлагаются в качестве аксессуаров многими компаниями-производителями беспроводного оборудования. Одной из таких компаний является U.S. Robotics. В качестве аксессуаров к беспроводным Wi-Fi устройствам стандартов 802.11b/g компания U.S.Robotics предлагает внешние антенны направленного действия USR5482, USR5481 и USR5480.

Антенна USR5482

Антенна направленного действия USR5482 для частотного диапазона 2,4 ГГц (безлицензионный ISM диапазон) имеет коэффициент усиления 9 dBi и предназначена в первую очередь для стационарного использования с беспроводными точками доступа или беспроводными адаптерами, устанавливаемыми в ПК. Кроме того, высокий коэффициент усиления антенны позволяет использовать её для работы вне помещения (например, для соединения здание-здание).

Эта антенна предполагает как вертикальное, так и горизонтальное расположение, и может крепиться к стене с помощью входящего в комплект поставки крепежного комплекта.

Данная антенна может использоваться с любыми беспроводными устройствами, имеющими съемные антенны с разъемом типа SMA, а кабель длиной 5 футов с номинальным сопротивлением 50 Ом позволит разместить антенну в любом удобном месте.

Согласно технической документации, угол раствора главного лепестка диаграммы направленности антенны составляет 60 градусов по вертикали и по горизонтали, причем, для удобства, на самой антенне обозначено направление максимального усиления.

В сравнении со съёмными штатными антеннами, коэффициент усиления которых редко превосходит 2 dBi, антенна USR5482 позволяет значительно повысить уровень сигнала в направлении главного лепестка диаграммы направленности. К примеру, при использовании этой антенны с беспроводной точкой доступа с мощностью передатчика 20 dBm (100 мВт) и изотропной антенной, мощность сигнала в направлении максимального усиления составит 20 dBm+9 dBi=29 dBm (794 мВт), то есть в 7,9 раза больше, чем в случае использования штатной изотропной антенны. С такой антенной и две бетонные армированные стены – не проблема. К примеру, на опыте было проверено, что использование такой антенны в двухкомнатной квартире полностью решает проблему зоны покрытия.

Антенна USR5481

По сравнению с моделью USR5482, антенна USR5481 имеет несколько меньший коэффициент усиления в 5 dBi и несколько иное предназначение. Данная антенна может использоваться с любым типом беспроводного оборудования (точки доступа, беспроводные маршрутизаторы, беспроводные адаптеры), имеющим съёмную антенну с гнездом типа SMA. По своему внешнему дизайну антенна USR5481 напоминает штатные штырьковые антенны, но только в увеличенном виде (соответственно, и коэффициент усиления у нее выше, чем у традиционной штатной антенны).

Учитывая, что данная антенна является штырьковой, диаграмма направленности у нее несколько иная, в сравнении с антенной USR5482, и направленное действие антенны заключается в том, что мощность излучения в продольном направлении, совпадающим с направлением антенны, существенно ниже мощности излучения в поперечном направлении. Однако, в поперечном направлении излучение практически изотропно.

Чтобы обеспечить максимальную зону покрытия при использовании данной антенны стационарно с точкой доступа, учитывая диаграмму направленности данной антенны, желательно размещать точку доступа в центре беспроводной зоны доступа, .

При использовании этой антенны с беспроводной точкой доступа с мощностью передатчика 20 dBm (100 мВт), мощность сигнала в направлении максимального усиления составит 20 dBm+5 dBi=25 dBm (316 мВт), то есть в 3,16 раза больше, чем в случае использования штатной изотропной антенны.

Антенна USR5480

Еще одна интересная по своей конструкции антенна для беспроводных устройств стандарта 802.11b/g – это модель USR5480 с коэффициентом усиления 4 dBi. Как и предыдущие две модели, модель USR5480 универсальна и может использоваться с любым типом беспроводного оборудования, имеющим разъём типа SMA. Данная антенна в первую очередь предназначена для использования с беспроводными адаптерами, которые устанавливаются с PCI слот ПК. Кабель длиной 5 футов позволяет устанавливать антенну в любом удобном месте, для чего в комплекте поставки прилагается удобная подставка. Кроме того, возможно и настенное крепление антенны с использованием липучек.

По своей конструкции антенна напоминает прямоугольную полоску и, судя по конструкции, главный лепесток диаграммы направленности антенны должен быть перпендикулярен плоскости антенны. Учитывая, что антенна может крепиться к стене, можно также предположить, что задний лепесток диаграммы направленности несимметричен главному лепестку, поэтому для увеличения зоны охвата необходимо ориентировать антенну на точку доступа так, чтобы направление перпендикуляра к плоскости антенны совпадало с направлением на точку доступа.

При использовании этой антенны с беспроводной точкой доступа с мощностью передатчика 20 dBm (100 мВт), мощность сигнала в направлении максимального усиления составит 20 dBm+4 dBi=24 dBm (251 мВт), то есть в 2,51 раза больше, чем в случае использования штатной изотропной антенны.

На этом месте можно ставить точку. На примере USR мы рассмотрели основные формы и типы антенн за исключением уличных и узконаправленных. Но, ознакомившись с теоретической частью, вы легко сможете определиться при их выборе и подобрать оптимальный вариант.