Расчет WI-FI антенн для беспроводных систем

Беспроводные сети стандартов IEEE-802.11 получают всё большее распространение. Однако, многие пользователи и системные администраторы сталкиваются с проблемами покрытия своего офиса или дома уверенной связью. Чем хуже качество приёма сигнала на компьютере клиента, тем на меньшей скорости будет установлено соединение. А это означает, что вы совершенно бесплатно теряете скорость, которая могла бы быть и выше. Другая проблема - обеспечение устойчивой связью пользователей на большом расстоянии от точки доступа. И в том и в другом случае перед системным пользователем появится вполне конкретная задача: надо сделать так, чтобы сигнал принимался увереннее и с максимально возможным уровнем. Казалось бы, для этого достаточно лишь найти сетевой адаптер или точку доступа с увеличенной мощностью - и проблема будет решена. Но в случае с беспроводными сетями мы имеем дело с радио эфиром, использование которого строго регламентируется законодательствами соответствующих стран. У нас, в РБ, для беспроводных сетей определён диапазон частот 2400 - 2483.5 МГц, в котором могут работать передатчики мощностью не больше 100 мВт.

Ошибочно полагать, что передающая антенна может усиливать сигнал. Обычная пассивная антенна при передаче сигнала лишь направляет спектр в определённом направлении и за счёт своей площади обеспечивает более уверенный приём. Антенна работает подобно световому отражателю в фонарях. Она направляет свет в заданном направлении. Например, вам надо охватить уверенным сигналом большое помещение. Простым решением будет разместить точку доступа в центре помещения, но к сожалению это может быть связано с техническими трудностями. Намного проще установить точку доступа в одном из углов комнаты и направить сигнал в противоположный угол. Для этого вам потребуется направленная антенна, которая не будет посылать сигнал в стенку за собой, где он никому не потребуется, зато распределит спектр по площади с большей эффективностью.

Тем не менее, одна из основных характеристик антенны - её коэффициент усиления, выраженный в децибелах. Коэффициент усиления такой антенны - это отношение мощности сигнала излучённого в определённом направлении к мощности сигнала, излучаемого идеальной ненаправленной антенной. Необходимо отметить, что коэффициент усиления характеризует направленность сигнала, а не увеличение выходной мощности по отношению к входной (как это может показаться из названия), поэтому данный параметр часто ещё называют коэффициентом направленного действия. Этот параметр напрямую связан с диаграммой направленности антенны.

Из любой штырьковой ненаправленной антенны можно сделать направленную, для чего достаточно установить отражающий экран. Для этого пойдёт как лист фольги, так и простая жестяная банка. Но это неэтично, неэстетично и не идеально. Промышленностью сегодня выпускаются достаточно антенн для различного применения в беспроводных сетях. Могут потребоваться антенны для установки на улице или в помещении. Всё зависит от ваших требований. Конечно, если есть необходимость осуществить покрытие вашего двора или площади перед офисом, вам потребуется антенна для внешней установки. Такие антенны имеют крепкий водонепроницаемый корпус, защищённый от непогоды, порывов ветра и температурных перепадов. Такие антенны имеют мощные скобы для крепления на мачты или кронштейны и крепкие закрытые контакты.

Внутренние антенны не защищены от воды, чая и кофе. Они компактно устанавливаются рядом с вашим монитором, на тумбочке или на системном блоке. Такие антенны крайне удобны, если ваш системный блок стоит под столом, где существенная часть сигнала от антенны встроенного сетевого контроллера будет гаситься. Чтобы повысить скорость беспроводной сети, потерянную из-за плохого качества сигнала, такую антенну надо устанавливать как минимум на рабочем столе или крепить на стену.

Направленные антенны это самый распространённый тип Wi-Fi антенн. Такие антенны, как мы уже сказали, отлично подходят для организации сети по типу точка-точка. Если ваш компьютер должен соединяться только с точкой доступа или с другим компьютером, используйте направленную антенну. В офисе или дома вы можете такой антенной "пробить" непробиваемые стены, направить сигнал от принтера на компьютер или расширить Wi-Fi на сад вашего дачного участка. Направленные антенны - идеальный вариант для связи двух точек по беспроводной сети Wi-Fi. Например, вы и ваш друг живёте в соседних домах, окна которых смотрят друг на друга. Чтобы соединиться по беспроводной сети, вам потребуется две направленных антенны, "смотрящих" строго друг на друга. Расстояние, на которое может передаваться сигнал, зависит лишь от коэффициента усиления вашей антенны. Некоторые энтузиасты могли передать сигнал на несколько десятков километров, так что для двух домов, находящихся в пределах видимости, соединиться по Wi-Fi будет намного проще.

Всенаправленные антенны - это основной тип антенн, используемый в оборудовании для беспроводных сетей. Всенаправленные антенны равномерно покрывают территорию во всём радиусе действия. Если в вашем офисе установлен Wi-Fi принтер, к которому вы собираетесь дать доступ всем гостям с ноутбуками, которые могут находиться в переговорной, в приёмной, в столовой или где-нибудь ещё, на принтере должна быть установлена всенаправленная антенна. В то же время, если вы хотите установить на крыше дома Wi-Fi передатчик, чтобы дать доступ к сети соседним домам, гаражам и летним беседкам, вам нужна именно такая антенна.

Как правило, всенаправленные антенны представляют собой штырь, устанавливаемый вертикально. Этот штырь распространяет сигнал в плоскости, перпендикулярной своей оси. Так называемые, вертикальные всенаправленные антенны.

При выборе антенны необходимо узнать диаграмму её вертикальной и горизонтальной поляризации. Она покажет, как антенна распространяет сигнал в вертикальной и горизонтальной плоскости и вы сможете рассчитать мёртвые зоны и зоны неуверенного приёма исходя из положения антенны в офисе или дома.

Рассмотрим Wi-Fi антенну Bester Parabolic 2400, которая специально разрабатывалась для использования в составе локальных беспроводных сетей Wireless LAN, в качестве клиентской.

Антенна имеет игольчатую диаграмму направленности, оптимальную для беспроводных сетей Wi-Fi, различной конфигурации. Wi-Fi антенна Bester Parabolic 2400 тестировалась и рекомендована для применениея с оборудованием ORINOCO, Cisco, Aironet, BreezeNET, AVAYA, Z-Com, Planet, D-Link, OvisLink, MikroTik. На рисунке 96 показан примерный вид данной антенны.

Поточная технология сборки антенны Wi-Fi, обеспечивает хорошую повторяемость, высокие технические характеристики при невысокой стоимости.

 

 

Рисунок 96 – Wi-Fi антенна Bester Parabolic 2400

 

Использование новых материалов и современных технологий обеспечивают многолетнюю безотказную работу этих Wi-Fi антенн, без технического обслуживания. Каждая выпущенная Wi-Fi антенна проходит заводскую стендовую проверку на соответствие электрических параметров.

Антенна имеет высокую эксплуатационную надёжность. Работает правило "ПОСТАВИЛ-ЗАБЫЛ".

В таблице 7 приведены основные технические характеристики Wi-Fi антенны Bester Parabolic 2400.

 

Таблица 7 - Технические характеристики Wi-Fi антенны

Тип антенны	Зеркально-параболическая
Рабочий диапазон частот, МГц	2400-2483
Коэффициент усиления, дБ	18 + 1 -2 дБ. 21 + 1 -2 дб. 24 + 1 -2 дб. 27 + 1 -2 дб.
Фокусное расстояние	250 мм. - 18 дБ. 250 мм. - 21 дБ. 380 мм. - 24 дБ. 486 мм. - 27 дБ.
Собственное усиление облучат. дБ	Не менее 5,5
КСВ	Max 1,5 f- 2400-2483
Поляризация	Линейная, выбирается пользователем
Входное сопротивление, Ом
Максимальная подводимая мощность	50 Вт.
Ширина диаграммы направленности / Е плоскость, градусы	16± 1.0° по уровню -3 дБ. - 18 дБ. 14± 1.0° по уровню -3 дБ. - 21 дБ. 10± 1.0° по уровню -3 дб.- 24 дБ. 6± 1.0° по уровню -3 дб. - 27 дБ.
Ширина диаграммы направленности / H плоскость, градусы	16± 1.0° по уровню -3 дБ. - 18 дБ. 14± 1.0° по уровню -3 дБ. - 21 дБ. 10± 1.0° по уровню -3 дб. - 24 дБ. 6± 1.0° по уровню -3 дб. - 27 дБ.
Тип разъема	N – типа, Male
Размеры рефлектора, мм	510 x 450 x 100 -18 дБ. 813 x 695 x 157 - 24 дБ. 1020 x 900 x 195 - 27 дБ.
Масса нетто, кг	2060 гр. - 18 дБ. 2880 гр. - 21 дБ. 3240 гр. - 24 дБ. 4400 гр. - 27 дБ.
Масса брутто, кг
Ветровая нагрузка, м/с
Исполнение	Всеклиматическое, всепогодгое.
Рабочая температура	-50...+50°С
Техническое обслуживание	В обслуживании не нуждается.
Крепление антенны	На вертикальную опору диаметром 25-60 мм двумя П-образными скобами (в компл.).

Пример 18. Рассчитаем ДН Wi-Fi директорной антенны.

На рис. 97,а изображен один из элементов АР, а на рис. 97,б изображена условная схема размещения антенны в вертикальной АР.

а

 

б

 

 

Рисунок 97 – Антенна Wi-Fi

Исходя из того что

 

Где N – количество директоров, d _ср – среднее расстояние между директорами.

1. Определяем длину волны

[м].

2. Расстояние от рефлектора до полуволнового вибратора

[м].

3. Волновое число

Нормированный множитель для плоской решетки равен

 

Так как у нас линейная АР с вертикальным расположением элементов (N_y=1), то ДН для плоскости E примет вид

На рисунке 98 и 99 приведены ДН антенны в декартовых и полярных координатах, выполненные в пакете Mathcad.

Рисунок 98 – ДН антенны в декартовой системе координат

Рисунок 99 – ДН антенны в полярной системе координат