Направленные антенны для беспроводных устройств стандарта 802.11b/g

КомпьютерПресс 4'2006

Сергей Пахомов

Характеристики направленных антенн

Изотропный излучатель

Диаграмма направленности антенны

Коэффициент усиления антенны

Делаем направленные антенны своими руками

ВЧ-разъемы для соединения антенн с кабелем

Программное моделирование антенн

Штыревая антенна c перпендикулярным рефлектором

Штыревая антенна с параллельным рефлектором

Симметричный полуволновой вибратор с рефлектором

Спиральная антенна с рефлектором

Антенна с биквадратным четвертьволновым излучателем и рефлектором

Антенны из консервных банок

В физике мощность принято измерять в ваттах...

Главные проблемы, возникающие при использовании беспроводных сетей стандарта 802.11b/g, — это недостаточно стабильная связь из-за слабого уровня принимаемого сигнала, и сильная зависимость скорости передачи от расстояния между беспроводным сетевым адаптером и точкой доступа. Так, если в пределах комнаты (офиса) одна точка доступа в состоянии обеспечить устойчивую работу беспроводных клиентов, то гарантировать устойчивую связь с клиентом, находящимся за стеной, уже вряд ли возможно, а уж две стены сможет «пробить» далеко не каждая точка доступа.

Есть и еще одно препятствие, причем более серьезное. Дело в том, что точек доступа и беспроводных адаптеров с мощностью передачи более 100 мВт, что эквивалентно 20 дБм (о том, как связаны эти единицы между собой, мы расскажем ниже), вообще нет в продаже (речь, конечно, идет об устройствах, ориентированных на конечных пользователей).

Что же остается делать в сложившейся ситуации? Можно, конечно, ориентироваться на распределенные беспроводные сети. Однако это решение нельзя назвать дешевым, поскольку для увеличения зоны покрытия беспроводной сети требуется использование уже не одной, а нескольких беспроводных точек доступа. Другой способ увеличить зону покрытия беспроводной сети заключается в использовании направленных антенн, которые не меняют параметр ЭИИМ (а значит, закон не нарушается), но усиливают сигнал в определенном направлении. В этой статье мы рассмотрим наиболее типичные примеры направленных антенн и расскажем о том, как их можно сделать самостоятельно из подручных материалов.

Характеристики направленных антенн

Хотя направленные антенны часто называются усиливающими и даже характеризуются коэффициентом усиления, но в действительности они передаваемый сигнал не усиливают. То есть если мощность передатчика, к примеру, составляет 50 мВт, то какую бы антенну мы ни поставили, мощность передаваемого сигнала от этого не изменится. Это и понятно: все антенны подобного рода являются пассивными, так что брать энергию для усиления передаваемого сигнала им попросту неоткуда.

В чем же тогда заключается эффект усиления сигнала передающей антенной? Представьте себе электролампу, освещающую помещение. 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 позади нее параболический зеркальный отражатель. В этом случае мы получим направленное распространение света, то есть луч света, который не будет освещать всю комнату, но сможет 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.

Изотропный излучатель

Антенны излучают энергию во всех направлениях, но эффективность передачи сигнала для различных направлений может быть неодинакова и характеризуется диаграммой направленности. Для того чтобы оценивать эффективность передачи сигнала для различных направлений, введено понятие изотропного излучателя (omni), или изотропной антенны.

Изотропный излучатель — это идеальный точечный источник электромагнитных волн, излучающий равномерное по плотности энергии поле сферической формы. В природе изотропных излучателей не встречается. Каждая передающая антенна, даже самая простейшая, излучает энергию неравномерно, но всегда имеется направление, в котором излучается максимум энергии. Понятие же изотропного излучателя рассматривается исключительно в качестве некоторого идеализированного эталонного излучателя, с которым удобно сравнивать все остальные антенны.

Диаграмма направленности антенны

Направленные свойства антенн определяются зависимостью напряженности излучаемого антенной поля от направления. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой направленности антенны. Трехмерная диаграмма направленности изображается в виде поверхности, описываемой исходящим из начала координат радиус-вектором, длина которого в каждом направлении пропорциональна энергии, излучаемой антенной в данном направлении.

Кроме трехмерных диаграмм, часто рассматривают и двумерные, которые строятся для горизонтальной и вертикальной плоскостей. 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 прямо пропорционально энергии, излучаемой антенной в данном направлении.

В случае идеальной изотропной антенны, излучающей энергию одинаково по всем направлениям, диаграмма направленности представляет собой сферу, центр которой совпадает с положением изотропного излучателя. При этом горизонтальная и вертикальная диаграммы направленности изотропного излучателя представляют собой окружности.

В случае направленных антенн на диаграмме направленности можно выделить так называемые лепестки, то есть направления преимущественного излучения. Направление максимального излучения антенн называется главным направлением, а соответствующий ему лепесток — главным. Остальные лепестки являются боковыми, а лепесток излучения, ориентированный в сторону, обратную главному направлению, называется задним лепестком диаграммы направленности антенны. Направления, по которым антенна не принимает и не излучает, называются нулями диаграммы направленности.

Диаграмма направленности характеризуется и шириной. Под шириной диаграммы направленности понимают угол, внутри которого коэффициент усиления уменьшается по отношению к максимальному не более чем на 3 дБ. Практически всегда коэффициент усиления и ширина диаграммы связаны между собой: чем больше усиление, тем уже диаграмма, и наоборот.

Самым простым типом антенны, который часто используется в беспроводных устройствах, является диполь Герца — в радиотехнике он эквивалентен небольшой антенне, размер которой гораздо меньше длины волны излучения (рис. 1).

Рис. 1. Схема элементарного диполя Герца

Диаграмма направленности диполя Герца, изображенная на рис. 2, напоминает тор, поперечный разрез которого представляет собой две соприкасающиеся окружности. Приблизительно такую же форму имеют диаграммы направленности антенн различных передатчиков. Следует обратить внимание на то, что максимальный поток электромагнитной энергии излучается в плоскости, перпендикулярной оси диполя. Вдоль своей оси диполь не излучает энергии. Вертикальная и горизонтальная диаграммы направленности диполя Герца показаны на рис. 3 и 4.

Рис. 2. Пример трехмерной диаграммы направленности антенны типа диполя Герца

Рис. 3. Вертикальная диаграмма направленности антенны типа диполя Герца

Рис. 4. Горизонтальная диаграмма направленности антенны типа диполя Герца

Коэффициент усиления антенны

Еще одной важной характеристикой направленной антенны является коэффициент усиления, который показывает, во сколько раз эффективность данной антенны выше по сравнению с изотропным излучателем.

Коэффициент усиления антенны определяется как отношение плотности потока энергии, излучаемого в определенном направлении, к плотности потока энергии, который был бы зафиксирован при использовании изотропной антенной. Таким образом, коэффициент усиления антенны определяет, на сколько большую напряженность поля создаст данная антенна по сравнению с изотропной на одинаковом расстоянии при прочих равных условиях. Коэффициент усиления антенны измеряется в так называемых изотропных децибелах (дБи или dBi):

,

где k — коэффициент усиления антенны в заданном направлении; E — напряженность поля, создаваемого антенной в некоторой точке; E_omni— напряженность поля, создаваемого изотропной антенной в той же точке.

Допустим, коэффициент усиления антенны в заданном направлении составляет 5 дБи — это означает, что в данном направлении мощность излучения на 5 дБ (в 3,16 раза) больше, чем мощность излучения идеальной изотропной антенны. Естественно, увеличение мощности сигнала в одном направлении влечет за собой уменьшение мощности в других направлениях.

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

К примеру, при использовании беспроводной точки доступа с мощностью передатчика 20 dBm (100 мВт) и направленной антенны с коэффициентом усиления 10 dBi мощность сигнала в направлении максимального усиления составит 20 dBm + 10 dBi = 30 dBm (1000 мВт), то есть в 10 раз больше, чем в случае использования изотропной антенны. Следовательно, с такой антенной и две бетонные армированные стены не станут проблемой.

Делаем направленные антенны своими руками

В большинстве случаев точки доступа стандарта 802.11b/g комплектуются миниатюрными штыревыми антеннами (рис. 5), которые могут быть как съемными, так и несъемными. В горизонтальной плоскости такие антенны являются всенаправленными с коэффициентом усиления не более 4 dBi.

Рис. 5. Стандартная штыревая антенна

Высота подобной антенны составляет 88 мм, но если такую антенну разобрать (рис. 6), то можно заметить, что длина самой антенны составляет всего 30 мм.

Рис. 6. Стандартная штыревая антенна в разобранном виде

Понятно, что ожидать от такой антенны чего-то серьезного не приходится, поэтому многие производители беспроводного Wi-Fi-оборудования в качестве аксессуаров к своим точкам доступа выпускают и направленные антенны с более высоким коэффициентом усиления. Основная проблема всех таких внешних антенн — это их неоправданно высокая цена: в среднем за такую направленную антенну придется выложить не менее 50 долл., хотя, по большому счету, ничего особенного в ее конструкции нет. Так почему бы не попробовать сделать такую антенну самостоятельно?

В этой статье мы рассмотрим несколько схем самодельных антенн для диапазона 2400 МГц, которые можно найти на различных Интернет-сайтах. Однако прежде чем приступать к практическим шагам и бежать в магазин «Чип и Дип», нелишне ознакомиться с типами разъемов, используемых для соединения антенн с кабелем.

ВЧ-разъемы для соединения антенн с кабелем

Для соединения антенн с кабелем используются специализированные высокочастотные (ВЧ) разъемы, которые можно приобрести в специализированных магазинах (например, «Чип и Дип»). Существует несколько вариантов таких разъемов, которые отличаются друг от друга и типом резьбы (дюймовая или метрическая), и типом кабеля (RG-58, RG-8 и пр.), и другими характеристиками. Кроме того, ВЧ-разъемы различаются и по способам крепления кабеля — обжимные, напаиваемые, под гайку.

Все разъемы классифицируются сериями. Так, существуют разъемы серий N, BNC, F, FME, SMA, SMB, TNC, UHF. К сожалению, единого стандарта маркировки разъемов не существует, а потому каждая компания-производитель использует свое собственное обозначение разъемов.

В большинстве случаев для создания направленных антенн рекомендуют использовать разъемы N-серии. Однако стоит учесть, что разъемы N-серии — самые большие и что их монтаж в некоторых случаях может быть неудобен. На собственном опыте можем сказать, что вовсе необязательно использовать разъемы именно N-серии. Главное, чтобы разъем типа Male (папа) соответствовал разъему типа Female (мама): один из этих разъемов устанавливается на рефлекторе антенны, а второй монтируется на кабеле. Понятно, что разъем, монтируемый на антенне, должен иметь либо фланец, либо гайки, которые позволяют укреплять его на рефлекторе (такие разъемы называют приборными).

На рис. 7-12 показаны разъемы различных серий. Нетрудно заметить, что SMA-разъемы — самые миниатюрные, а N-разъемы, наоборот, самые крупногабаритные.

Рис. 7. Разъем N-серии типа Female с фланцем для крепления на рефлекторе антенны. Маркировка N-7317

Рис. 8. Разъем N-серии типа Male для монтажа на кабеле антенны. Маркировка GN-7301A

Рис. 9. Сочленение разъемов N-7317 и GN-7301A

Рис. 10. Разъем TNC-серии типа Male
с крепежной гайкой. Маркировка TNC-7401A

Рис. 11. Разъем TNC-серии типа Female
для монтажа на кабеле антенны.
Маркировка TNC-7422

Рис. 12. Разъем SMA-серии типа Female
для монтажа на кабеле антенны.
Маркировка TNC-7422

Отметим также, что в большинстве случаев и на самих точках, и на антеннах к ним используются миниатюрные разъемы типа SMA, причем на антеннах применяются разъемы типа Female с накидной гайкой, а на точках доступа — типа Male. Проблема заключается в том, что весьма непросто найти такой SMA-разъем для монтажа на антенном кабеле, чтобы он соответствовал разъему на точке доступа. Для решения данной проблемы есть три пути. Во-первых, заменить довольно редкий SMA-разъем на самой точке доступа, чтобы он согласовывался с разъемом, монтируемым на кабеле. Во-вторых, можно вообще избавиться от разъема на точке доступа и просто вывести антенный кабель напрямую — этот способ используется и в том случае, когда на точке доступа есть несъемная антенна и нет никаких разъемов. В-третьих, можно изготовить нужный SMA-разъем из самой миниатюрной антенны.

Программное моделирование антенн

После того как внесена некоторая ясность в дело с типами разъемов, приступим непосредственно к моделированию и производству антенн.

Для моделирования антенн можно использовать бесплатную утилиту EZNEC Demo v.4.0.15 (www.eznec.com), которая имеет ряд ограничений, но в простейших случаях вполне может использоваться для моделирования антенн. В частности, в демо-версии программы ограничено количество сегментов, из которых состоит антенна. Кроме того, невозможно использовать рефлекторы с заданными размерами, а тем более с заданной геометрией. Поэтому лучше купить или найти в Интернете полную версию программы.

Утилита EZNEC Demo v.4.0.15 совместима с 32-разрядными версиями Microsoft Windows XP/2000/2003. Рассмотрим более подробно, каким образом можно моделировать антенны с использованием этой утилиты.

После запуска программы мы попадаем в главное окно (рис. 13), в котором имеются основные характеристики антенны. Для конструирования новой антенны лучше всего выбрать из списка моделей, предоставляемых вместе с программой, наиболее подходящую и модифицировать ее. Чтобы получить доступ к базе моделей антенн, нужно просто нажать на кнопку Open.

Рис. 13. Главное окно программы EZNEC Demo v.4.0.15

Чтобы создать штыревую антенну, выбираем в базе модель Dipole1.ez. А для просмотра типа выбранной антенны, то есть ее схемы в декартовой системе координат, следует нажать на кнопку View Ant. В нашем случае это будет обычный стержень (рис. 14).

Рис. 14. Схема выбранной антенны в декартовой системе координат

Для моделирования нужной антенны необходимо прежде всего задать частоту излучения, поэтому в главном окне программы вместо 299,793 МГц необходимо задать частоту 2473 МГц (частота излучения на шестом канале в сетях 802.11b/g).

Далее можно приступить к рисованию самой антенны. Антенна состоит из отдельных кусков проволоки, и для того, чтобы нарисовать антенну, необходимо задать координаты точек начала и конца каждого отдельного куска проволоки. Кроме того, можно задать диаметр проволоки. Все необходимые параметры геометрии антенны задаются в окне Wires.

К примеру, если мы хотим изобразить вертикальную штыревую антенну длиной 30 см, то необходимо в качестве координаты начальной точки задать значения — 0, 0, 0, а в качестве координаты конечной точки — 0, 0, 30. Если же наша антенна должна иметь Г-образную форму, придется использовать уже два куска проволоки.

Кроме того, главное окно позволяет указать положение точки подвода сигнала к антенне (точка соединения с фидером) (окно Sources), задать тип заземления, а также произвести множество других специфических настроек.

После того как модель антенны сформирована, можно посмотреть ее диаграмму направленности в окне FF Plot. Утилита EZNEC Demo v.4.0.15 позволяет строить как трехмерную, так и двумерную диаграмму направленности. Для рассмотренного примера Dipole1.ez трехмерная и вертикальная двумерная диаграмма направленности показаны на рис. 15 и 16.

Рис. 15. Трехмерная диаграмма направленности для примера Dipole1.ez

Рис. 16. Вертикальная двумерная диаграмма направленности для примера Dipole1.ez

Кроме построения диаграммы направленности, утилита EZNEC Demo v.4.0.15 позволяет рассчитать коэффициент усиления антенны и ширину главного лепестка. В нашем случае (см. рис. 16) коэффициент усиления равен 2,16 dBi, а ширина главного лепестка составляет 77,2°.

Штыревая антенна c перпендикулярным рефлектором

Самый простой вариант антенны — штыревая и именно такие антенны наиболее часто используются в беспроводных точках доступа.

Штыревая антенна часто называется несимметричным вибратором. Диаграмма направленности такой антенны мало отличается от диаграммы направленности диполя Герца. В горизонтальной плоскости антенна излучает энергию во все стороны равномерно, поэтому в горизонтальной плоскости такая антенна является всенаправленной, а следовательно, не приходится говорить о преимущественном излучении в определенном направлении. Используя утилиту EZNEC Demo v.4.0.15, можно смоделировать диаграмму направленности для различных длин антенны. Типичные варианты — когда длина антенны составляет четверть или половину длины волны излучения, и в большинстве штатных антенн точек доступа длина антенны составляет четверть длины волны излучения (30 мм). Так, для длины антенны 1/4 коэффициент усиления составляет 1,71 dBi, а для длины — 2,11 dBi. Если продолжать моделирование длины антенны, то для длины 3/4 коэффициент усиления составляет 3,33 dBi, а для длины — 3,43 dBi. Диаграмма направленности для длины антенны 3/4 показана на рис. 17.

Рис. 17. Диаграмма направленности штыревой антенны при длине 3/4l

Конструкцию штыревой антенны можно улучшить, использовав перпендикулярный к антенне рефлектор — металлическую поверхность (экран), выполняющую функцию идеальной заземляющей поверхности. Для длины антенны 1/2 в случае идеального рефлектора коэффициент направленного действия составит уже 7 dBi. Диаграмма направленности такой антенны представлена на рис. 18.

Рис. 18. Диаграмма направленности штыревой антенны при длине 1/2l в случае идеального рефлектора

Разумеется, в действительности диаграмма направленности будет иметь несколько иную форму и коэффициент усиления окажется меньше. Дело в том, что при расчете диаграммы направленности утилитой EZNEC Demo v.4.0.15 предполагается, что рефлектор представляет собой бесконечную, идеально проводящую плоскость. Кроме того, не учитываются потери сигнала при распространении в самой антенне. Утилита EZNEC Demo v.4.0.15 частично позволяет внести поправки на «неидеальность» заземляющего экрана и учесть потери сигнала в самой антенне.

Для того чтобы сконструировать такую антенну, нам потребуется медный штырь (медная жила провода), диаметром 1,5-2 мм и длиной 65 мм, а также металлический рефлектор в форме квадрата со стороной порядка 100 мм или диск диаметром 80-85 мм. Такой диск делается из крышки металлической консервной банки. Кроме того, потребуются разъем N-серии типа Female с фланцем для крепления на рефлекторе антенны (например, N-7317), разъем N-серии типа Male для монтажа на кабеле антенны (например, GN-7301A), нужный для соединения с антенным кабелем, и сам кабель с сопротивлением 50 Ом/м (RG-58).

Разъем N-серии типа Female с фланцем необходимо закрепить на рефлекторе, для чего в центре рефлектора просверливается отверстие. Крепление можно выполнить как с помощью четырех болтиков, так и эпоксидным клеем. С одной стороны разъема N-серии с фланцем необходимо вставить медный стержень и дополнительно пропаять его. Если толщина медного стержня несколько больше отверстия в разъеме, то можно напильником уменьшить диаметр стержня в месте крепления.

Медный стержень должен выступать над поверхностью отражателя на 60 мм, что составляет половину длины волны излучения. Процесс производства данной антенны показан на рис. 19.

Рис. 19. Схема штыревой антенны с перпендикулярным рефлектором

Штыревая антенна с параллельным рефлектором

Еще один способ модифицирования штыревой антенны заключается в том, чтобы использовать не перпендикулярный, а параллельный рефлектор. Прежде чем приступать к изготовлению такой антенны, смоделируем ее с помощью утилиты EZNEC Demo v.4.0.15. Разместим антенну параллельно плоскости XY вдоль оси X. В качестве точки подведения сигнала выберем точку E1 (точка начала антенны) с координатами (0, 0, z). Координаты точки E2 (точка конца антенны) соответственно будут (x, 0, z), где координата x определяется длиной антенны, а координата z — расстоянием от антенны до плоского рефлектора). В качестве «земли» выберем идеальную проводящую поверхность (Perfect). Варьируя длину антенны и расстояние до рефлектора, можно подобрать желаемую диаграмму направленности и коэффициент усиления.

На рис. 20 представлены диаграммы направленности, ширина главного лепестка и коэффициент усиления для антенны длиной 1/2 (60 мм) при различном расстоянии до рефлектора.

Рис. 20. Диаграммы направленности
для штыревой антенны длиной 1/2l (60 мм)
при различном расстоянии до параллельного рефлектора

Для изготовления данной антенны, как и в предыдущем случае, нам потребуется медный штырь (медная жила провода), диаметром 2 мм и длиной 65 мм, два металлических рефлектора (один тоже в форме квадрата со стороной около 100 мм, а второй — в форме прямоугольника с размерами примерно 100x170 мм). Кроме того, опять потребуются разъем N-серии типа Female с фланцем для крепления на рефлекторе антенны и разъем N-серии типа Male для монтажа на кабеле антенны.

Легче всего собрать такую антенну путем небольшой модификации предыдущей схемы.

Отражающий экран будет состоять из двух взаимно перпендикулярных частей — горизонтальной и вертикальной. Разъем N-серии с медным стержнем крепится к горизонтальной части рефлектора, а вертикальный рефлектор устанавливается на расстоянии 12 мм (0,1l) перпендикулярно к горизонтальному рефлектору и, следовательно, параллельно самой антенне. Схема данной антенны показана на рис. 21.

Рис. 21. Изготовление штыревой антенны
с параллельным рефлектором

Симметричный полуволновой вибратор с рефлектором

Следующий вариант антенны, которую нетрудно изготовить в домашних условиях, — симметричный полуволновой вибратор с рефлектором, или полуволновая дипольная антенна.

Данная антенна состоит из двух симметричных разнонаправленных плеч, одно из которых заземлено (соединяется с рефлектором), а другое соединяется с центральной жилой антенного кабеля. Каждое из двух плеч такой антенны выполняется в Г-образной форме. Часть каждого плеча, параллельного плоскости рефлектора, составляет 1/4, поэтому общая длина такой антенны равна 1/2. Именно потому такую дипольную антенну называют симметричным полуволновым вибратором.

Прежде чем приступать к конструированию та