Основы Wi-Fi-антенн
Связь Wi-Fi зависит от радиочастотной энергии, которая передается и принимается по антеннам. Лучшие антенны улучшат освещение, и выбор правильной антенны прост, если вы поймете основы.
Антенны в целом
Хотя предметом этой серии статей являются антенны специально для использования Wi-Fi, некоторые справочные данные об антеннах в целом будут полезны. Это первый в серии.
Антенна - это устройство, которое излучает радиоволны при подаче электрической энергии и / или устройство, которое преобразует радиоволны в электрическую. Антенны иногда преднамеренно создаются как антенны (например, антенна на беспроводном маршрутизаторе) и иногда создаются для другой цели (например, провода на наушниках), но также, кстати, функционируют как антенна.
Антенны всегда направлены, т. Е. Передают и / или принимают радиоволны лучше в некоторых направлениях, чем в других направлениях. Антенны, которые не предназначены для направления, называются «всенаправленными» или «ненаправленными», хотя они никогда не являются совершенно ненаправленными.
Длина волны, частота и длина антенны
Радиоволны, как и все волны в электромагнитном спектре, измеряются по частоте, а основной единицей частоты является герц (сокращенно Гц), который представляет собой один цикл в секунду. Герц используется в честь Генриха Рудольфа Герца, первого человека, который доказал существование электромагнитных волн. Базовая единица Герца часто предшествует мультипликатору, например, килограмму (1000) или мега (1 000 000) или гига (1 000 000 000).
В дополнение к Герцу, который является единицей частоты, радиоволны иногда упоминаются в терминах их длины, используя термин «длина волны». Как вы, вероятно, понимаете, термины Герц и длина волны математически связаны, и формула ниже обычно используется для определения этой взаимосвязи.
длина волны (в метрах) = 300 / частота (в МГц)
Например, частота 14 300 МГц имеет длину волны 20, 979 м. Эта зависимость между частотой и длиной волны особенно важна для конструкции антенны, поскольку длина волны частоты используется для расчета многих размеров конструкции антенны.
Дипольные антенны
Одна из простейших антенн называется «полуволновым диполем», составляет в общей сложности ½ длины волны и состоит из двух половинок, каждая из которых имеет длину ¼ длины волны. Каждая из двух половинок питается отдельным проводником в линии подачи.
Для той же частоты 14, 300 МГц, как упоминалось ранее, диполь теоретически будет составлять 10, 4895 (½ от 20, 979) метров от конца до конца и будет состоять из двух элементов, каждый длиной 5, 2476 метров. Обратите внимание, однако, что антенны не всегда строятся точно в соответствии с рассчитанными теоретическими размерами.
На фотографиях ниже показан гораздо меньший (самодельный) диполь для приема цифрового телевизионного сигнала на коротком расстоянии и демонстрирует простоту, которую все диполы используют независимо от их рабочей частоты.
Радиаторы изготовлены из стальной проволоки, вырезанной из общей вешалки для одежды, и соединены с коаксиальной линией передачи стальными гайками и болтами. Небольшой кусок перфорированного материала - это центральный изолятор и структурное основание для сборки. И да, несмотря на грубую конструкцию антенны, он получает сигналы HDTV от станций на расстоянии до 20 миль, а на задней панели телевизора - в четырех футах от земли. (Вы должны иметь возможность рассчитать рабочую частоту из информации, приведенной в этой статье.)
Поляризация антенны
Ориентация антенны относительно земной поверхности называется ее «поляризацией». Те, которые предназначены для их радиоволн, ориентированных, в основном, параллельно земной поверхности, называются «горизонтальными», а те, которые предназначены для их радиоволн, ориентированы, главным образом, под прямым углом к земной поверхности, называются «вертикаль».
Некоторые антенны, такие как диполь, изображенный выше, могут быть использованы в любой поляризации просто путем изменения положения. В ориентации, показанной выше, элемент диполя параллелен земной поверхности, поэтому антенна горизонтально поляризована. Переориентирование диполя так, чтобы его наконечники элементов указывали вверх и вниз, он вертикально поляризовался.
Факторы, связанные с выбором одной поляризации над другой, включают рабочую частоту, желаемый охват, механические ограничения и обычную практику. Очень важно учитывать, что все антенны в системе связи должны использовать одну и ту же поляризацию. Когда в системе существует сочетание поляризаций или когда поляризация некоторых антенн неизвестна, круговая поляризация иногда используется для максимизации совместимости. Антенны Wi-Fi почти всегда вертикально поляризованы.
Усиление антенны
Как указывалось ранее, антенны передают (и принимают) радиоволны лучше в определенных направлениях, тем самым увеличивая эффективную излучаемую мощность (ERP) в этих направлениях. Обратите внимание, что полная излучаемая мощность не увеличивается, а просто сильнее в одном или нескольких направлениях и слабее в других направлениях. Даже простой горизонтальный диполь имеет усиление в двух направлениях: параллельно его радиаторам как на «передней», так и на «обратной» сторонах.
Это увеличение ERP называется «усилением» и применяется как к переданному, так и принятому сигналам. Единицей измерения, наиболее часто используемой для количественного усиления усиления, является децибел, или дБ, который основан на Бел, который был назван в честь Александра Грэма Белла. Если вы хотите понять, как вычислить Bels и decibels, вы сами по себе, так как это выходит за рамки этой статьи. Достаточно сказать, что чем выше номинал дБ антенны, тем больше у нее есть.
В дополнение к дБ есть еще один блок, который используется для описания усиления антенны: dBi или децибел изотропный. Изотропный источник представляет собой теоретическую антенну, состоящую из одной точки, излучающей РЧ во всех направлениях, подобно сфере. ДБИ чаще используется для количественного определения усиления антенны по одной причине: оценка dBi приводит к более высоким значениям, чем рейтинг дБ, что делает антенну, похоже, более выигрышной, хотя на самом деле она не имеет большего усиления.
Как и прежде, точные методы расчета дБи не являются существенными для этого обсуждения. Просто помните об этом: более высокие значения дБ или дБи показывают более высокий коэффициент усиления, и если вы сравниваете антенны, убедитесь, что они рассчитаны с использованием той же единицы измерения - либо дБ, либо дБи, но не являются смешением двух.
Частоты Wi-Fi
Для передачи Wi-Fi используется пять различных диапазонов: 2, 4 ГГц, 3, 6 ГГц, 4, 9 ГГц, 5 ГГц и 5, 9 ГГц. Как используются группы, они варьируются от одной страны к другой. Наиболее широко используется диапазон 2, 4 ГГц и будет в центре внимания этой статьи, но общие принципы применимы ко всем диапазонам.
Полоса 2, 4 ГГц простирается от приблизительно 2, 4 ГГц до 2, 5 ГГц; таким образом, приблизительный центр полосы составляет 2, 45 ГГц и является частотой, которая будет использоваться для последующих расчетов.
Формула, представленная выше
длина волны (в метрах) = 300 / частота (в МГц)
может быть удобно преобразован в следующее.
длина волны (в миллиметрах) = 300 / частота (в ГГц)
Таким образом, длина волны сигнала 2, 45 ГГц составляет 122, 45 мм. Диполь на частоте 2, 45 ГГц составляет 61, 22 мм от конца до конца, и каждая из двух половинок составляет 30, 61 мм. Для тех из вас, кто привык работать в дюймах, диполь на 2, 45 ГГц составляет 2, 41 дюйма от конца до конца, а каждая из двух половинок составляет 1, 205 дюйма. Независимо от того, какие единицы вы используете, элементы довольно малы в диапазоне 2, 4 ГГц и даже меньше в остальных четырех диапазонах.
Wi-Fi Dipole
На приведенной ниже фотографии показаны две антенны Wi-Fi, которые были удалены с беспроводного маршрутизатора 2, 4 ГГц. Нижняя антенна остается в пластиковой крышке и удерживает шарнирное основание, которое позволяет ориентироваться вертикально независимо от монтажного положения маршрутизатора. Верхняя антенна была снята с ее пластиковой крышки, чтобы показать внутреннюю конструкцию.
Хотя это может и не быть сразу очевидным, антенна является диполем. Одна половина диполя - белый провод, который выступает влево, а другая половина диполя - металлический цилиндр. Каждая половина электрически изолирована от другой и составляет приблизительно ¼ длины волны. Аналогичные антенны имеют коэффициент усиления около 2 дБи и имеют относительно круговую диаграмму направленности.
В обоих случаях линия подачи проволоки выходит из нижней части антенны для подключения к радиоприемопередатчику Wi-Fi. Подводная линия представляет собой коаксиальный кабель с внутренним проводником и наружным оплетенным экраном; прозрачная пластиковая крышка закрывает линию подачи. Эта конкретная линия часто используется для устройств Wi-Fi из-за ее небольших размеров и относительно низких потерь RF; он обозначен RG-178. Коаксиальные линии питания часто называются «коаксиальными».
На другом конце коаксиального кабеля подключен маршрутизатор, как показано ниже. Обратите внимание, что экраны надежно припаиваются к плоскости заземления на печатной плате, а центральные проводники припаиваются к дорожкам печатной платы, которые приводят к приемопередатчику внутри золотого металлического корпуса. Вставка показывает альтернативный стиль пайки; иногда разъемы припаиваются к печатной плате, а коаксиальный кабель снабжен сопрягаемыми разъемами, которые фиксируются на месте.
Прибытие
На этом этапе вы должны иметь представление об основах антенн, которые применяются к Wi-Fi. Будущие статьи этой серии будут посвящены ненаправленным, а также направленным антеннам для использования Wi-Fi. Будут обсуждены как коммерчески доступные, так и доморощенные антенны, и вам будут предоставлены рекомендации по созданию, расширению и улучшению вашей сети Wi-Fi.