Антенны для wi-fi-устройств

Вертикальная штыревая антенна

Другой тип вертикальной штыревой антенны изображен на рис. 4. Антенна состоит из штыря 1 и манжеты 3, надеваемой поверх трубы мачты 4.

Штырь целесообразно выполнять из меди или алюминия, а манжету — из обычной стальной трубы, имеющей диаметр, несколько больший диаметра мачты.

За неимением подходящей трубы манжету можно выполнить из системы сравнительно тонких проволок, расположенных по поверхности цилиндра вокруг мачты. Концы проволок припаиваются к кольцам.

Рис. 4. Манжетная УКВ антенна. 1 — изолятор; 2 — манжета; 3 — изолятор; 4 — труба мачты.

Такая антенна дает усиление в 2 раза (в вертикальной плоскости).

Антенна хорошо согласуется с коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 72—75 ом, при этом длина манжеты должна составлять 0,99 1/4 лямбда а штыря — 0,94 1/4 лямбда.

Для 52-омного кабеля длина манжеты берется равной 0,98 1/4 лямбда, длина штыря — 0,95 1/4 лямбда. Согласование достигается небольшим изменением длины штыря, а главным образом — манжеты. Размеры манжеты весьма критичны.

Принцип действия

Иллюстрация трансформации параллельного контура в дипольную антенну. Синие линии — силовые линии электрического поля, красные — магнитного.

Упрощённо принцип действия антенны состоит в следующем. Как правило, конструкция антенны содержит металлические (токопроводящие) элементы, соединённые электрически (непосредственно или через линию питания — фидер) с радиопередатчиком или с радиоприёмником. В режиме передачи переменный электрический ток, создаваемый источником (например, радиопередатчиком), протекающий по токопроводящим элементам такой антенны, в соответствии с законом Ампера порождает в пространстве вокруг себя переменное магнитное поле. Это меняющееся во времени магнитное поле, в свою очередь, не только воздействует на породивший его электрический ток в соответствии с законом Фарадея, но и создаёт вокруг себя меняющееся во времени вихревое электрическое поле. Это переменное электрическое поле создаёт вокруг себя переменное магнитное поле и так далее — возникает взаимосвязанное переменное электромагнитное поле, образующее электромагнитную волну, распространяющуюся от антенны в пространство. Энергия источника электрического тока преобразуется антенной в энергию электромагнитной волны и переносится электромагнитной волной в пространстве. В режиме приёма переменное электромагнитное поле падающей на антенну волны наводит токи на токопроводящих элементах конструкции антенны, которые поступают в нагрузку (фидер, радиоприёмник). Наведённые токи порождают напряжения на входном импедансе приёмника.

Delta Loop (треугольник, дельта)

Антенна относится к петлевым антеннам, также как и квадраты, но проще в изготовлении. Периметр антенны примерно равен длине волны с небольшим удлинением. Конструкции в основном отличаются подвесом антенны и точкой питания. На низкочастотных диапазонах часто используют “ленивые дельты” (т.е. подвешенные почти горизонтально), а на высокочастотных диапазонах чаще применяют вертикальные или наклонные “дельты”. Низкочастотные “дельты” можно возбуждать на гармониках, кратных двум без изменения способа питания. Однако свойства “дельты” сильно зависят от конкретного размещения (особенно низкочастотные), поэтому имеют много противоречивых отзывов. Подробнее об этой антенне.

Зачем нужны антенны

Для того чтобы ответить на этот простой вопрос, необязательно быть специалистом в области радиотехники. Каждый знает, что без антенны не сможет работать ни радиоприемник, ни телевизор. Точно так же без антенны не будет работать беспроводная точка доступа, которая в данном случае выступает одновременно и в роли приемника, и в роли передатчика. Антенна — это и излучатель радиоволн, и их приемник. Конфигурация антенны определяет зону покрытия беспроводной точки доступа, то есть ту зону, где точка доступа излучает сигнал, который способны принять другие клиенты беспроводной сети. Подчеркиваем: зона покрытия беспроводной точки доступа определяется именно конструкцией, а не размерами антенны, следовательно, принцип «чем длиннее, тем лучше» в данном случае неприменим.

Основная проблема большинства штатных антенн, то есть антенн, которые поставляются в комплекте с беспроводными точками доступа, заключается в том, что они имеют недостаточно большую зону покрытия. К примеру, если в пределах комнаты (офиса) одна точка доступа в состоянии обеспечить надежную работу беспроводных клиентов, то на устойчивую связь с клиентом, находящимся за стенкой, рассчитывать не приходится. А уж через две стены сможет «пробить» далеко не каждая точка доступа.

Казалось бы, проблема легко разрешима — достаточно приобрести точку доступа с большей мощностью передатчика. Однако не все так просто. Дело в том, что мощность передачи Wi-Fi-устройств строго регламентирована. В частности, в частотном диапазоне от 2400 до 2483,5 МГц (частотный диапазон Wi-Fi-устройств) для создания радиосетей на безлицензионной основе допускается использовать передатчики с мощностью излучения, эквивалентной изотропно-излучаемой мощности (ЭИИМ) (смысл данного термина мы поясним далее), — не больше 100 мВт. В случае превышения данного показателя требуется получение в Министерстве связи лицензии на создание и эксплуатацию ведомственной радиосети передачи данных. Соответственно точек доступа и беспроводных адаптеров с мощностью передачи более 100 мВт, что эквивалентно 20 dBm (о том, как связаны эти единицы между собой, мы тоже расскажем чуть позже), просто-напросто нет в продаже.

Итак, все точки доступа и беспроводные адаптеры имеют одинаковую мощность передатчика, а следовательно, единственный способ увеличить зону покрытия беспроводной сети — вместо традиционных штатных использовать специальные антенны.

Увеличение зоны покрытия беспроводной сети — это лишь одна из функций антенн для Wi-Fi-устройств

Другое, не менее важное их свойство заключается в том, что они позволяют изменить форму зоны покрытия, обеспечивая таким образом повышение безопасности беспроводной сети. Штатные антенны излучают сигнал равномерно во все стороны (в горизонтальной плоскости), и если точку доступа с такой антенной расположить у стены в комнате, то сигнал будет распространяться не только по вашей квартире, но и за стенку к соседу

Это, конечно же, позволит ему не только быстро обнаружить вашу беспроводную сеть, но и предпринять попытки атаки на нее. Причем если в домашних условиях у вашего соседа вряд ли окажется своя беспроводная сеть или хотя бы ноутбук с беспроводным адаптером, то в офисном здании, где на одном этаже размещается несколько офисов разных компаний, такая ситуация вполне реальна. А потому под соседями мы будем подразумевать соседей не только по квартире, но и по офису.

Дабы не вводить их в искушение и обезопасить свою беспроводную сеть от вторжения извне, можно использовать специальные направленные антенны, которые излучают сигнал преимущественно в одном направлении. Это позволит и увеличить дальность распространения сигнала в этом направлении, и ослабить или блокировать распространение сигнала в других направлениях. В данном случае разница между обычной антенной, излучающей равномерно по всем направлениям, и направленной антенной примерно такая же, как между лампочкой и фонариком. Представьте себе лампочку, освещающую комнату. Свет от нее распространяется приблизительно равномерно по всем направлениям, отчего в комнате становится светло. Однако ту же самую лампочку можно поставить в фонарь или просто установить позади нее зеркальный отражатель. В этом случае мы получим направленное распространение света. Такой луч не будет освещать все помещение, зато способен передать свет на значительно большее расстояние. Именно по такому принципу работают и внешние антенны.

Коэффициент усиления и радиационная стойкость

Четвертьволновая вертикальная антенна, работающая против идеальной бесконечной земли, будет иметь коэффициент усиления 5,19 дБи и сопротивление излучения около 36,8 Ом. Кнуты, установленные на транспортных средствах, используют металлическую обшивку транспортного средства в качестве плоскости заземления. В ручных устройствах , как правило , нет явного заземление обеспечивается, и земля сторона антенны питающей линии просто подключена к земле на печатной плате устройства. Таким образом, само радио и, возможно, рука пользователя служат элементарной заземляющей поверхностью. Поскольку они не больше, чем размер самой антенны, комбинация штыревой антенны и радио часто больше функционирует как асимметричная дипольная антенна, чем как монопольная антенна . Коэффициент усиления несколько пострадает по сравнению с полуволновым металлическим диполем или штырем с четко определенной заземляющей поверхностью.

Какая антенна лучше ловит сигнал

Без, сомнений в сравнении самостоятельно изготовленного прибора и покупного, выиграет второй, поскольку он намного качественнее ловит телевизионный сигнал, благодаря более качественной конструкции. А если сравнивать самодельные антенны, то можно понять, что каждый вид обладает, как своими преимуществами, так и недостатками.

Ниже представлена таблица, в которой сравнили все типы антенных конструкций, которые были описаны в этой статье выше.

Длина фазы

Первое использование термина «электрическая длина» предполагает синусоидальную волну некоторой частоты или, по крайней мере, узкополосную форму волны, сосредоточенную вокруг некоторой частоты f . Синусоида будет повторяться с периодом Т  = 1 / _F . Частота f будет соответствовать определенной длине волны λ вдоль конкретного проводника. Для проводников (например, неизолированного провода или заполненных воздухом коаксиальный кабель ) , которые передают сигналы на скорости света с , длина волны задается X = гр / _F . Расстояние L вдоль этого проводника соответствует N длинам волн, где N ; = L / _λ .

На рисунке справа видно, что  длина волны составляет N = 1,5 длины волны. Волна гребень в начале графа, двигаясь в направлении вправо, прибудет в конце по истечению времени 1,5  T  . Электрическая длиной этого сегмента называется «1,5 длиной волн» или, выраженные как фазовый угол, «540 °» (или 3 & pi ; радиан) , где Н длина волны соответствует с φ = 360 ° • N (или φ = ая • N  радианы). В радиочастотных приложениях, когда задержка вводится из-за линии передачи, часто имеет значение фазовый сдвиг φ, поэтому определение конструкции с точки зрения фазы или электрической длины позволяет адаптировать эту конструкцию к произвольной частоте. используя длину волны λ, применяемую к этой частоте.

Диаграмма излучения

Три больших кнута из стекловолокна, установленных на мачте.

Кнут из стекловолокна для радиолюбительских диапазонов 2 м и 70 см, с радиальными контактами заземления

Штыревая антенна представляет собой монопольную антенну и, как и вертикальный диполь, имеет всенаправленную диаграмму направленности , излучающую одинаковую мощность радиосигнала во всех азимутальных направлениях (перпендикулярных оси антенны), при этом излучаемая мощность падает с углом места до нуля на оси антенны. . Штыревые антенны длиной менее половины длины волны, включая обычный четвертьволновый штырь, имеют один главный лепесток , а с идеально проводящей заземляющей пластиной под ним максимальная напряженность поля находится в горизонтальных направлениях, монотонно снижаясь до нуля на оси. При наличии небольшой или плохо проводящей заземляющей пластины или отсутствия заземляющей пластины под ней общий результат заключается в наклоне главного лепестка вверх, так что максимальная мощность больше не излучается горизонтально, а под углом в небо.

Антенны длиннее половины длины волны имеют структуру, состоящую из нескольких конических «лепестков»; с максимумами излучения на нескольких углах места; чем больше электрическая длина антенны, тем больше лепестков в диаграмме направленности.

Вертикальные штыревые антенны широко используются для ненаправленной радиосвязи на поверхности Земли, где направление на передатчик (или приемник) неизвестно или постоянно меняется, например, в портативных FM- радиоприемниках, рациях и двусторонних радиостанциях. радиоприемники в транспортных средствах. Это связано с тем, что они одинаково хорошо передают (или принимают) во всех горизонтальных направлениях, при этом излучают мало радиоэнергии вверх в небо, где она тратится впустую.

Фактор скорости

В линии передачи сигнал распространяется со скоростью, контролируемой эффективной емкостью и индуктивностью на единицу длины линии передачи. Некоторые линии передачи состоят только из неизолированных проводов, и в этом случае их сигналы распространяются со скоростью света, c . Чаще сигнал распространяется с пониженной скоростью κ c , где κ — коэффициент скорости , число меньше 1, представляющее отношение этой скорости к скорости света.

Большинство линий передачи содержат диэлектрический материал (изолятор), заполняющий часть или все пространство между проводниками. Относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая постоянная этого материала увеличивает распределенную емкость в кабеле, что снижает коэффициент скорости ниже единицы. Также возможно уменьшение κ из-за относительной проницаемости ( ) этого материала, что увеличивает распределенную индуктивность, но этого почти никогда не бывает. Теперь, если заполнить пространство диэлектриком с относительной диэлектрической проницаемостью , то скорость плоской электромагнитной волны уменьшится на коэффициент скорости:
μр{\ displaystyle \ mu _ {\ text {r}}}ϵр{\ displaystyle \ epsilon _ {\ text {r}}}

κзнак равноvпcзнак равно1ϵрμр≈1ϵр{\ displaystyle \ kappa = {\ frac {v_ {p}} {c}} = {\ frac {1} {\ sqrt {\ epsilon _ {\ text {r}} \ mu _ {\ text {r}} }}} \ приблизительно {\ frac {1} {\ sqrt {\ epsilon _ {\ text {r}}}}}}.

Этот пониженный коэффициент скорости может также применяться к распространению сигналов по проводам, погруженным в большое пространство, заполненное этим диэлектриком. Однако, когда только часть пространства вокруг проводников заполнена этим диэлектриком, скорость волны меньше уменьшается. Часть электромагнитной волны, окружающей каждый проводник, «чувствует» действие диэлектрика, а часть находится в свободном пространстве. Затем можно определить эффективную относительную диэлектрическую проницаемость, которая затем предсказывает коэффициент скорости в соответствии с
ϵэфф{\ displaystyle \ epsilon _ {\ text {eff}}}

κзнак равно1ϵэфф{\ displaystyle \ kappa = {\ frac {1} {\ sqrt {\ epsilon _ {\ text {eff}}}}}}

ϵэфф{\ displaystyle \ epsilon _ {\ text {eff}}} вычисляется как средневзвешенное значение относительной диэлектрической проницаемости свободного пространства (1) и диэлектрика:

ϵэффзнак равно(1-F)+Fϵр{\ displaystyle \ epsilon _ {\ text {eff}} = (1-F) + F \ epsilon _ {\ text {r}}}

где коэффициент заполнения F выражает эффективную долю пространства, на которое влияет диэлектрик.

В случае коаксиального кабеля , где весь объем между внутренним проводником и экраном заполнен диэлектриком, коэффициент заполнения равен единице, поскольку электромагнитная волна ограничивается этой областью. В других типах кабелей, например, в двухжильных кабелях, коэффициент заполнения может быть намного меньше. В любом случае, любой кабель, предназначенный для радиочастот, будет иметь коэффициент скорости (а также характеристическое сопротивление ), указанный производителем. В случае коаксиального кабеля, где F = 1, коэффициент скорости определяется исключительно типом используемого диэлектрика, как указано .

Например, типичный коэффициент скорости для коаксиального кабеля составляет 0,66, что соответствует диэлектрической проницаемости 2,25. Предположим, мы хотим послать сигнал 30 МГц по короткому отрезку такого кабеля и задержать его на четверть волны (90 °). В свободном пространстве эта частота соответствует длине волны λ = 10 м, поэтому для задержки 0,25 λ потребуется электрическая длина 2,5 м. Если применить коэффициент скорости 0,66, то физическая длина кабеля составит 1,67 м.

Коэффициент скорости также применяется к антеннам в тех случаях, когда антенные проводники (частично) окружены диэлектриком. Это особенно относится к микрополосковым антеннам, таким как патч-антенна . Волны на микрополоске зависят в основном от диэлектрика печатной платы под ними, а также от воздуха над ними (из-за краевых эффектов). Таким образом, их коэффициенты скорости зависят не напрямую от диэлектрической проницаемости материала печатной платы, а от эффективной диэлектрической проницаемости, которая часто указывается для материала печатной платы (или может быть рассчитана)

Обратите внимание, что коэффициент заполнения и поэтому несколько зависят от ширины дорожки по сравнению с толщиной платы.
ϵэфф{\ displaystyle \ epsilon _ {\ text {eff}}}ϵэфф{\ displaystyle \ epsilon _ {\ text {eff}}}

Использование термина

В зависимости от конкретного контекста термин «электрическая длина» используется, а не просто физическая длина, для включения одного или нескольких из следующих трех понятий:

• Когда речь идет о количестве длин волн или фазе , участвующих в прохождении волны через сегмент линии передачи , можно просто указать эту электрическую длину, в то время как указание физической длины, частоты или коэффициента скорости опускается. В этом случае электрическая длина обычно выражается как N длин волн или как фаза φ, выраженная в градусах или радианах. Таким образом, в микрополосковой конструкции можно указать закороченный шлейф с фазовой длиной 60 °, который будет соответствовать разным физическим длинам при применении к разным частотам. Или можно рассмотреть 2-метровую секцию коаксиального кабеля с электрической длиной четверти длины волны (90 °) на частоте 25 МГц и спросить, какой становится ее электрическая длина, когда цепь работает на другой частоте.
• Из-за фактора скорости конкретной линии передачи, например, время прохождения сигнала по кабелю определенной длины равно времени прохождения через большее расстояние при движении со скоростью света. Таким образом, импульс, посланный по 2-метровому участку коаксиального кабеля (коэффициент скорости которого составляет 67%), достигнет конца коаксиального кабеля одновременно с тем же импульсом, который поступит на конец оголенного провода длиной 3 метра (по которому он распространяется со скоростью света), и можно сказать, что 2-метровая секция коаксиального кабеля имеет электрическую длину 3 метра или электрическую длину 1/2 длины волны на частоте 50 МГц (поскольку радиоволна 50 МГц имеет длину волны 6 метров).
• Поскольку резонансные антенны обычно указываются в терминах электрической длины их проводников (например, полуволнового диполя ), достижение такой электрической длины в общих чертах приравнивается к электрическому резонансу, то есть чисто резистивному импедансу на входе антенны, как обычно желательно. Например, антенна, которая была сделана слишком длинной, будет иметь индуктивное сопротивление, которое можно скорректировать, физически укоротив антенну. Основываясь на этом понимании, распространенный жаргон в торговле антеннами относится к достижению резонанса (подавление реактивного сопротивления) на выводах антенны как электрическое сокращение этой слишком длинной антенны (или электрическое удлинение слишком короткой антенны), когда электрическая согласующая сеть (или антенный тюнер ) выполнил эту задачу без физического изменения длины антенны. Хотя терминология очень неточна, это использование широко распространено, особенно применительно к использованию загрузочной катушки в нижней части короткого монополя (вертикальной или штыревой антенны ) для его «электрического удлинения» и достижения электрического резонанса, видимого сквозь загрузочная катушка.

Электрически короткие хлысты

Резиновая уточка антенны , общий тип электрически короткого хлыста, на портативном УВЧ CB приемопередатчик. Со снятой резиновой оболочкой (слева) .

Чтобы уменьшить длину штыревой антенны и сделать ее менее громоздкой, к ней часто добавляют индуктор ( нагрузочную катушку ). Это позволяет сделать антенну намного короче, чем нормальная длина четверти длины волны, и при этом оставаться резонансной за счет снижения емкостного реактивного сопротивления короткой антенны. Катушка добавляется у основания хлыста (называемого хлыстом с базовой нагрузкой) или иногда посередине (хлыст с центральной загрузкой). В наиболее широко используемой форме, резиновой антенне-утке , загрузочная катушка объединена с самой антенной, сделав стержень из узкой спирали пружинящей проволоки. Спираль распределяет индуктивность по длине антенны, улучшая диаграмму направленности, а также делает ее более гибкой. Другой альтернативой, которая иногда используется для укорачивания антенны, является добавление на конце «шляпы емкости», металлического экрана или излучающих проводов. Однако все эти электрически короткие хлысты имеют меньшее усиление, чем полноразмерные четвертьволновые хлысты.

Многодиапазонная работа возможна с катушками примерно на половину или одну треть и две трети, которые не сильно влияют на антенну на самом нижнем диапазоне, но создают эффект пакетированных диполей на более высоком диапазоне (обычно × 2 или × 3 частота).

На более высоких частотах (2,4 ГГц, но существуют военные кнуты для диапазона от 50 до 80 МГц, которые являются стандартной проблемой для радиостанции SINCGARS в диапазоне 30–88 МГц), коаксиальный кабель может подниматься вверх по центру трубки. Изолированный переход трубки и шнура питается от коаксиального кабеля, и нижний конец трубки, куда входит коаксиальный кабель, имеет изолированное крепление. Этот вид вертикального штыря представляет собой полный диполь и поэтому не требует заземления. Как правило, он лучше работает на нескольких длинах волн над землей, отсюда обычно ограничение на микроволновые диапазоны.

Антенна на земле

Антенны на земле

В штыревой антенне, не установленной на проводящей поверхности, такой как антенна, установленная на мачте, отсутствие отраженных радиоволн от плоскости земли приводит к тому, что лепесток диаграммы направленности наклоняется вверх к небу, поэтому по горизонтали излучается меньше энергии. направления, нежелательные для наземной связи. Кроме того , несимметричный импеданс монопольного элемента вызывает ВЧ тока в опорной мачте и на внешней стороне основных экранирующего проводника коаксиального фидера. Чтобы предотвратить это, со стационарными хлыстами, установленными на конструкциях, часто используется искусственная «заземляющая плоскость», состоящая из трех или четырех стержней длиной в четверть длины волны, соединенных с противоположной стороной фидерной линии, проходящей горизонтально от основания хлыста. Это называется заземленной антенной . Эти несколько коротких проволочных элементов служат для приема тока смещения от ведомого элемента и возврата его к заземляющему проводу линии передачи, заставляя антенну вести себя так, как если бы под ней была сплошная проводящая плоскость. Часто (см. Рисунки) стержни заземляющего заземления наклонены вниз, чтобы опустить главный лепесток диаграммы направленности ближе к горизонтали и увеличить нормальное сопротивление излучения 36,8 Ом ближе к 50 Ом, чтобы обеспечить лучшее согласование импеданса со стандартным фидером коаксиального кабеля 50 Ом. .

Длина

Штыревые антенны обычно проектируются как резонансные ; стержень действует как резонатор для радиоволн, при этом стоячие волны напряжения и тока отражаются назад и вперед от его концов. Следовательно, длина антенного стержня определяется длиной волны используемых радиоволн. Наиболее распространенная длина составляет примерно четверть длины волны, она называется «четвертьволновой хлыст» (хотя его часто сокращают за счет использования загрузочной катушки ; см. ниже). Например, обычные четвертьволновые штыревые антенны, используемые в FM-радиоприемниках в США, имеют длину примерно 75 см, что составляет примерно четверть длины радиоволн в FM- диапазоне, длина которого составляет от 2,78 до 3,41 метра. Полуволновые антенны также распространены.

Вертикальные антенны

Выбор вертикальных антенн не особо большой. В основном это различные модификации классической Ground Plane (GP), вертикального диполя, коаксиальной антенны и J-поля. Т.к. для низкочастотных диапазонов высота таких антенн слишком большая, то вертикальные антенны в основном применяются на высокочастотных диапазона (выше 14 МГц). Многодиапазонность GP достигается в основном  введение дополнительных вибраторов и “емкостей/индуктивностей”, работающих как удлиняющие или режекторные элементы.

Основное достоинство вертикальных антенн – низкий угол излучения к горизонту. Основной недостаток – требуется “хорошая земля”.

Интересные сведения

• Электрические параметры антенны (ДН, входное сопротивление) не изменятся, если изменить все её размеры и длину волны в одинаковое число раз (принцип электродинамического подобия).
• Амплитудно-фазовое распределение (распределение комплексной амплитуды тока как функции координат по апертуре антенны) и диаграмма направленности антенны в дальней зоне как функция угловых координат (пространственных частот) связаны преобразованием Фурье. При нахождении формы ДН удобно использовать теоремы связанные с преобразованием Фурье.
• Эффективные размеры антенн с синтезированной апертурой могут составлять десятки и сотни километров.
• Параметры пассивных антенн в линейных негиротропных средах не зависят от того, работает ли антенна на приём или на передачу, что вытекает из теоремы взаимности.