Штыревые антенны укв. Антенны для Wi-Fi-устройств. Радиолюбительские конструкции указатель описаний

Далеко не всегда удается поставить отдельную вертикальную антенну для каждого диапазона. В этом случае можно использовать один штырь для работы в нескольких диапазонах. Поскольку, подбором физической длины штыря невозможно подогнать его входное сопротивление к волновому сопротивлению коаксиального кабеля при работе на нескольких любительских диапазонах, то для питания таких антенн используют двухпроводную открытую линию, которая допускает работу с высоким КСВ.

Схема такой антенны показана на рисунке 1. Антенна состоит из штыря длиной LA и минимум четырех противовесов длиной LP. Для эффективной работы вертикальной антенны, штырь которой не настроен в резонанс с излучаемым ей сигналом, необходимо чтобы электрическая длина штыря была не менее 1/8 длины волны.

Следовательно для того чтобы антенна работала в любительских диапазонах 6-80 метров, достаточно, чтобы длина её вертикальной части была равна 5 метров. Как указывается во многих радиолюбительских источниках, для работы такой вертикальной многодиапазонной антенны необязательно использовать резонансные противовесы, которые, безусловно, улучшают работу антенны, но в то же время значительно усложняют её конструкцию.

Вполне достаточно четырех противовесов длиной равной высоте штыря. Антенна запитывается через открытую линию волновым сопротивлением 300-600 Ом любой разумной длины через какое-либо известное согласующее устройство.

До сих пор среди радиолюбителей нет единого мнения, какой длины штырь необходимо использовать для создания такой антенны. Есть два мнения о длине штыря. Первое, что штырь должен иметь резонансы на верхних любительских диапазонах, на которых используется антенна, и другое, что не обязательно чтобы штырь имел резонансы на диапазонах работы антенны.

Поскольку штырьевая антенна питается через открытую линию, и антенно-фидерная система требует согласования с низкоомным выходным сопротивлением трансивера посредством согласующего устройства, то теоретически нет разницы используется резонансная штырьевая антенна либо резонанс штыря лежит вне любительского диапазона и, следовательно, будет требоваться компенсация реактивностей антенны посредством согласующего устройства.

На практике может даже оказаться, что эффективнее будет работать не резонансная антенна, питаемая по двухпроводной линии, вследствие усреднения её параметров при работе на нескольких диапазонах. Антенна резонансной длины обязательно будет иметь на каком-либо любительском диапазоне входное сопротивление несколько кОм, т.е. будет узел напряжения на её входе, что может усложнить согласование штыря с линией передачи и далее с согласующем устройством на резонансном диапазоне. Поскольку все же число сторонников резонансных и не резонансных штырьевых многодиапазонных антенн почти одинаково, разберем оба варианта.

Классической не резонансной конструкцией многодиапазонного вертикального штыря необходимо признать антенну WB6AAM. Эта антенна и её противовесы имеют длину равную 6,1 метра. В таблице 1 приведены значения коэффициента усиления этой антенны относительно четвертьволнового несимметричного вибратора работающего на сравниваемом диапазоне.

Таблица 1
Как видно из этой таблицы, параметры этой антенны весьма хороши на диапазонах 6-20 метров, удовлетворительны при работе в диапазонах 30-50 метров, и антенна может быть использована для вспомогательной работы на диапазоне 80 метров. Приведено описание не резонансной антенны с длиной вертикальной части и противовесов по 6,7 метров. Очевидно, что параметры незначительно отличаются от антенны WB6AAM, и практически нет разницы какая длина антенны выбрана 6,1 или 6,7 метра, все зависит только от удобства использования тех или иных материалов для выполнения антенны.

Антенна, работающая в резонансном режиме на диапазонах 10 и 20 метров с высотой вертикальной части и длиной противовесов по 508 см. Эта антенна работает менее эффективно чем антенна WB6AAM из-за того, что её высота немного меньше. Антенна с длиной вертикальной части 10 метров и тремя противовесами.

Эта антенна вследствие относительно большой длины вертикальной части может обеспечить работу не только на диапазонах 10-80 метров, как указано в её описании, но и на диапазоне 160 метров. Усиление её будет примерно в полтора раза больше чем вертикальной антенны WB6AAM (см. табл. 1), и конечно при наличии достаточного места для размещения антенны, и материалов, лучше использовать антенну с длиной вертикальной части 10 метров.

Двухпроводная линия передачи для питания антенн этого типа может быть самодельной, можно использовать стандартный ленточный кабель, например типа КАТВ. При мощности подводимой к антенне не превышающей 100 Вт можно использовать в качестве линии передачи телефонный провод ТРП, более известный среди радиолюбителей как лапша. К сожалению ТРП при эксплуатации под действием атмосферных условий обычно через несколько лет выходит из строя из-за разрушения изоляции.

Именно из-за дефицита открытых линий передачи, радиолюбители предпринимают попытки запитать такую антенну через коаксиальный кабель с использованием различных согласующих устройств, расположенных непосредственно на штыре антенны. Наиболее удачное такое согласование было предложено UA1DZ.

Любой беспроводной маршрутизатор, точка доступа или просто беспроводной адаптер имеет в комплекте антенну. Причем она может быть как съемной, так и стационарной. В то же время в розничной сети предлагается достаточно большое количество альтернативных антенн для Wi-Fi-устройств. Возникает естественный вопрос: зачем нужны еще какие-то антенны (причем, как правило, отнюдь не дешевые), если в комплекте любого Wi-Fi-устройства и так имеется антенна? Ответ, казалось бы, очевиден: чем длиннее антенна, тем лучше. Достаточно вспомнить тюнингованные автомобили с затонированными стеклами, которые оснащены не одной, а сразу несколькими длинными антеннами-удочками. Однако… не спешите с выводами. Присмотритесь повнимательнее, кто ездит на этих шестерках с затонированными стеклами, и вы неминуемо начнете сомневаться, что размер что-то значит. Как говорил барон Мюнхгаузен, «серьезное выражение лица - это еще не признак ума. Улыбайтесь, господа, улыбайтесь».

Парадокс заключается в том, что далеко не все антенны, даже если их стоимость зашкаливает за 100 долл., чем-то отличаются от тех, что поставляются в комплекте.

В данной статье мы постараемся разобраться, зачем вообще нужны антенны, какие существуют Wi-Fi-антенны и что означают их технические характеристики, а также сделаем обзор Wi-Fi-антенн, которые можно купить в российских магазинах.

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.

Характеристики антенн

Одной из важнейших характеристик антенн является коэффициент усиления. Часто название этого параметра приводит к ошибочному предположению, что антенны способны усиливать сигнал. На самом деле это не так - если мощность передатчика, к примеру, составляет 50 мВт, то какую бы антенну мы ни поставили, мощность передаваемого сигнала будет такой же. Дело в том, что все антенны подобного рода представляют собой пассивные устройства и брать энергию для усиления передаваемого сигнала им попросту неоткуда. Но что же тогда означает коэффициент усиления? Для того чтобы ответить на этот вопрос, прежде ознакомимся с такими важными понятиями, как идеальный изотропный излучатель и диаграмма направленности антенны.

Изотропный излучатель

Антенны излучают энергию в виде электромагнитных волн во всех направлениях. Однако эффективность передачи сигнала для различных направлений может быть неодинакова и характеризуется диаграммой направленности.

Для оценки эффективности передачи сигнала по различным направлениям введено понятие изотропного излучателя, или изотропной антенны.

Изотропный излучатель - это идеальный точечный источник электромагнитных волн, излучающий равномерно по всем направлениям. Если мысленно представить себе сферу с центром, совпадающим с изотропным излучателем, то плотность излучаемой изотропным источником энергии будет одинакова в любой точке такой сферы. Поэтому говорят, что изотропный излучатель образует равномерное по плотности энергии поле сферической формы. В природе изотропных излучателей не существует. Каждая передающая антенна, даже самая простая, излучает энергию неравномерно - в каком-то направлении ее излучение максимально. Изотропный же излучатель рассматривается исключительно в качестве некоторого эталонного излучателя, с которым удобно сравнивать все остальные антенны.

Диаграмма направленности антенны

Направленные свойства антенн принято определять зависимостью напряженности излучаемого антенной поля от направления. Графическое представление этой зависимости называется диаграммой направленности антенны. Трехмерная диаграмма направленности изображается как поверхность, описываемая исходящим из начала координат радиус-вектором, длина которого в том или ином направлении пропорциональна энергии, излучаемой антенной в данном направлении. Кроме трехмерных диаграмм, часто рассматривают и двумерные, которые строятся для горизонтальной и вертикальной плоскостей.

При этом диаграмма направленности имеет вид замкнутой линии в полярной системе координат, построенной таким образом, чтобы расстояние от антенны (центр диаграммы) до любой точки диаграммы направленности было прямо пропорционально энергии, излучаемой антенной в данном направлении.

Для изотропной антенны, излучающей энергию одинаково по всем направлениям, диаграмма направленности представляет собой сферу, центр которой совпадает с положением изотропного излучателя, а горизонтальная и вертикальная диаграммы направленности изотропного излучателя имеют форму окружности.

Для направленных антенн на диаграмме направленности можно выделить так называемые лепестки, то есть направления преимущественного излучения. Направление максимального излучения антенн называется главным направлением; соответствующий ему лепесток - главным; остальные лепестки - боковыми, а лепесток излучения в сторону, обратную главному направлению, называется задним лепестком диаграммы направленности антенны. Направления, в которых антенна не принимает и не излучает, называются нулями диаграммы направленности.

Диаграмму направленности также принято характеризовать шириной, под которой понимают угол, внутри которого коэффициент усиления уменьшается по отношению к максимальному не более чем на 3 дБ. Практически всегда коэффициент усиления и ширина диаграммы взаимосвязаны: чем больше усиление, тем у же диаграмма, и наоборот.

Коэффициент усиления антенны

Итак, после того как мы получили представление о таких важных понятиях, как идеальный изотропный точечный излучатель и диаграмма направленности антенны, можно сформулировать понятие коэффициента усиления антенны.

Коэффициент усиления антенны определяет, насколько децибел плотность потока энергии, излучаемого антенной в определенном направлении, больше плотности потока энергии, который был бы зафиксирован в случае использования изотропной антенны. Коэффициент усиления антенны измеряется в так называемых изотропных децибелах (дБи или dBi).

Напомним, что в физике мощность принято измерять в ваттах (Вт). Однако в теории связи для измерения мощности сигнала чаще используют децибелы (дБ). Данная единица измерения является логарифмической и может использоваться лишь для сравнения одноименных физических величин. К примеру, если сравниваются 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, то мы получим сравнение этих величин, выраженное в белах (Б), а выражение 10lg(A/B) определяет сравнение этих величин в децибелах (дБ). Например, если говорят, что одна величина больше другой на 20 дБ, то это означает, что она больше другой в 100 раз.

Децибелы используются не только для сравнения величин, но и для выражения абсолютных значений. Для этого в качестве величины, с которой производится сравнение, принимается некоторое эталонное значение. Например, чтобы выразить абсолютное значение мощности сигнала в децибелах, за эталон принимается мощность в 1 мВт и уровень мощности сравнивается в децибелах с мощностью в 1 мВт. Данная единица измерения получила название децибел на милливатт (дБм) и показывает, на сколько децибел мощность измеряемого сигнала больше мощности в 1 мВт.

Так, если коэффициент усиления антенны в заданном направлении составляет 5 dBi, то это означает, что в этом 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.

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

Зная коэффициент усиления антенны и мощность передатчика, нетрудно рассчитать мощность сигнала в направлении главного лепестка диаграммы направленности. Так, при использовании беспроводной точкой 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 применения изотропной антенны.

Типы антенн для Wi-Fi-устройств

В плане использования все антенны для Wi-Fi-устройств можно условно разделить на два больших класса: антенны для наружного (outdoor) и для внутреннего применения (indoor). Отличаются эти антенны прежде всего своими габаритами и коэффициентом усиления. Естественно, антенны для наружного использования больше по размерам и предусматривают форму крепления либо к стене дома, либо к вертикальному столбу. Высокий коэффициент усиления в таких антеннах достигается за счет малой ширины диаграммы направленности (главного лепестка). Внешние антенны применяются, как правило, для связи двух беспроводных сетей, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Две такие антенны устанавливаются в зоне прямой видимости, и в данном случае важно, чтобы каждая из них находилась в зоне главного лепестка диаграммы направленности другой антенны.

Антенны для внутреннего использования меньше по размерам и обладают более низким коэффициентом усиления. Такие антенны либо устанавливаются на столе, либо крепятся к стене или непосредственно к точке доступа.

К самой точке доступа антенны могут подсоединяться либо напрямую, либо с помощью кабеля. При этом для подсоединения антенны или кабеля к точке доступа предназначен специальный миниатюрный SMA-разъем. На точках доступа применяется разъем типа Male, а на самой антенне или антенном кабеле - разъем типа Female.

Для соединения антенны наружного применения с кабелем могут использоваться и другие типы высокочастотных разъемов - чаще всего это разъем N-типа.

Штыревая антенна

Все точки доступа стандарта 802.11b/g комплектуются штатными миниатюрными штыревыми антеннами, которые могут быть как съемными, так и стационарными. Штыревая антенна представляет собой самый простой вариант антенны. Ее часто называют также несимметричным вибратором.

Если штыревую антенну расположить вертикально, то в горизонтальной плоскости она будет излучать энергию во все стороны равномерно, поэтому в горизонтальной плоскости такая антенна является всенаправленной и, естественно, говорить о преимущественном излучении в определенном направлении не приходится. В то же время в вертикальной плоскости такая антенна излучает неравномерно. В частности, излучение вдоль оси антенны вообще отсутствует. Именно поэтому даже в случае простейшей штыревой антенны можно выделить направления, соответствующие максимальному усилению. Для штыревых антенн максимальное усиление достигается в плоскости, перпендикулярной антенне и проходящей через ее середину.

Если разобрать штатную штыревую антенну, то в большинстве случаев окажется, что длина ее активной части составляет всего 31 мм. Естественно, такая длина выбрана неслучайно. Дело в том, что частотный диапазон для Wi-Fi-устройств составляет от 2400 до 2473 МГц. Соответственно длина волны излучения варьируется от 12,12 до 12,49 см, а четверть длины волны приблизительно равна 31 мм. То есть в большинстве случаев длина штыревой антенны выбирается равной четверти длины волны излучения.

Трехмерная диаграмма направленности, а также горизонтальная и вертикальная диаграммы направленности такой антенны показаны на рис. 1.

Отметим, что в силу изотропного характера излучения штыревой антенны, в горизонтальной плоскости точку доступа с такой антенной оптимально устанавливать в центре офиса или квартиры, чтобы максимально охватить беспроводной сетью все пространство квартиры или офиса.

Штыревая антенна c перпендикулярным рефлектором

Конструкцию штыревой антенны можно несколько улучшить, использовав перпендикулярный к антенне рефлектор - металлическую поверхность (экран), выполняющую функцию идеальной заземляющей поверхности. Подобные антенны не производятся промышленностью (во всяком случае, в продаже их нет), однако такую антенну несложно изготовить самостоятельно.

Трехмерная диаграмма направленности, а также горизонтальная и вертикальная диаграммы направленности штыревой четвертьволновой антенны с перпендикулярным отражателем показаны на рис. 2.

Для длины антенны 1/4 l в случае идеального бесконечного рефлектора коэффициент максимального усиления равен 5,18 dBi, в то время как для той же самой антенны без рефлектора коэффициент максимального усиления составляет только 1,73 dBi.

Как и в случае обычной штыревой антенны, штыревую антенну с перпендикулярным рефлектором наиболее целесообразно устанавливать в центре помещения (квартиры или офиса).

Штыревая антенна с параллельным рефлектором

Еще один способ модифицирования штыревой антенны заключается в том, чтобы использовать не перпендикулярный, а параллельный антенне рефлектор. В этом случае существенно меняется ее диаграмма направленности и в горизонтальной плоскости такая антенна перестает быть изотропной.

Вид диаграммы направленности в горизонтальной плоскости (в плоскости, перпендикулярной антенне) зависит и от размеров самой антенны, и от расстояния между антенной и отражателем.

На рис. 3 показана трехмерная диаграмма направленности, а также горизонтальная и вертикальная диаграммы направленности штыревой четвертьволновой антенны с параллельным отражателем при расстоянии между антенной и отражателем 1/4 l (31 мм).

Для длины антенны 1/4 l в случае идеального бесконечного рефлектора, расположенного на расстоянии 1/4 l от антенны, коэффициент максимального усиления составляет 7,17 dBi. Такую антенну целесообразно располагать возле стены.

Примеры антенн

Конечно же, описанные нами штыревые антенны хотя и являются наиболее распространенными для Wi-Fi-устройств, но не предоставляют всего разнообразия возможных конструкций Wi-Fi-антенн. В Интернете можно найти не один специализированный ресурс, посвященный самодельным антеннам для частотного диапазона 2,4 ГГц. Это и разнообразные варианты антенн, выполненных из консервных банок, и антенны типа симметричного полуволнового вибратора с рефлектором, и антенны с биквадратным четвертьволновым излучателем и рефлектором, и спиральные антенны, и разнообразные Yagi-антенны и пр. Конечно же, описание всех имеющихся антенн потребовало бы не отдельной статьи, а целой книги. Мы же преследуем несколько иную цель, поэтому далее рассмотрим те Wi-Fi-антенны, которые можно купить в российских магазинах.

TP-Link TL-ANT2406A

Миниатюрная направленная антенна TL-ANT2406A компании TP-Link предназначена для внутреннего использования. Антенна имеет удобную подставку, допускающую крепление на стене, установку на столе или крепление к панели корпуса ПК с помощью магнитов, расположенных в ее днище.

Для соединения антенны с точкой доступа используется 50-омный кабель длиной 1 м, снабженный разъемом SMA.

Согласно технической документации, антенна TL-ANT2406A имеет коэффициент усиления 6 dBi.

Производитель классифицирует данную антенну как вариант Yagi-антенны, что нам показалось несколько странным. Yagi-антенна, или антенна Яги, или антенна Уда-Яги (название образовано от имен двух японских изобретателей - Hidetsugu Yagi и Shintaro Uda), или антенна типа «волновой канал», - это направленная антенна в виде ряда параллельных линейных электрических вибраторов длиной, близкой к половине длины волны излучения (приема), расположенных в одной плоскости вдоль линии, совпадающей с направлением максимального излучения (приема). И если пользоваться именно этим определением Yagi-антенны, то конструкция TL-ANT2406A никак ему не соответствует. Вообще, классифицировать антенну TL-ANT2406A оказалось довольно сложно. В качестве излучающего (приемного) элемента в ней используется прямоугольная металлическая плоскость размером 48x52 мм, в которой сделаны небольшие надрезы (рис. 4), а сама излучающая плоскость находится на расстоянии 4 мм от прямоугольного экрана-рефлектора, размеры которого совпадают с размерами излучателя. Центральная жила коаксиального кабеля соединена с излучателем, а оплетка кабеля - с экраном.

Рис. 4. Схема антенны TL-ANT2406A

Розничная цена такой антенны составляет 1100 руб.

TP-Link TL-ANT2409A

Миниатюрная направленная антенна TP-Link TL-ANT2409A, как следует из надписи на упаковке, предназначена для наружного использования, что показалось нам довольно странным, ведь по своим габаритам она больше подходит для внутреннего применения. Да и заявленный коэффициент усиления, равный 9 dBi, соответствует скорее антеннам внутреннего использования.

Корпус антенны предусматривает ее монтаж на стене или на горизонтальном столбе, для чего в комплекте имеются специальные монтажные скобы и хомуты.

Для соединения антенны с точкой доступа используется 50-омный кабель, снабженный разъемом SMA. Длина этого кабеля всего 1 м, что для наружных антенн опять-таки может оказаться недостаточным.

Остается добавить, что производитель классифицирует эту антенну как разновидность Yagi-антенн. Вообще, создается впечатление, что любую направленную антенну компания TP-Link считает вариантом Yagi-антенны. Впрочем, производителю виднее.

Внутренняя конструкция антенны довольно простая. Над квадратным заземленным экраном размером 90x90 мм на высоте 7 мм расположен излучающий элемент в виде металлического прямоугольника размером 44x54 мм. Соединение излучающего элемента с коаксиальным кабелем реализовано с обратной стороны экрана, причем для согласования фидера с антенной используется металлизированная полоска определенной конфигурации. Схема антенны TL-ANT2409A показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема антенны TL-ANT2409A

Розничная цена данной антенны составляет 1490 руб.

TP-Link TL-ANT2414A

Направленная антенна TP-Link TL-ANT2414A также предназначена для наружного использования. Однако габариты данной антенны позволяют устанавливать ее и внутри помещения. Корпус антенны предусматривает ее монтаж на стене или на горизонтальном столбе, для чего в комплекте имеются специальные монтажные скобы и хомуты.

Для соединения антенны с точкой доступа используется 50-омный кабель длиной 1 м, снабженный разъемом SMA. Как мы уже отмечали, для наружных антенн длины кабеля в 1 м может оказаться недостаточно.

Согласно технической документации, антенна TL-ANT2414A имеет коэффициент усиления 14 dBi. Производитель классифицирует ее как вариант Yagi-антенны. Впрочем, не будем углубляться в тонкости терминологии, а лучше посмотрим, как устроена эта антенна.

Над металлическим заземленным квадратным экраном (металлизированный текстолит) размером 210x210 мм в два ряда расположены восемь излучающих элементов, представляющих собой металлические прямоугольники размером 30x58 мм. Расстояние между излучающими элементами и экраном составляет 7 мм. Подводка фидера к излучающим элементам производится с обратной стороны экрана.

Схема антенны TP-Link TL-ANT2414A приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема антенны TL-ANT2414A

Как видите, в конструкции данной антенны нет ничего сложного, и ее нетрудно изготовить самостоятельно. Остается лишь удивляться ее стоимости - розничная цена этой антенны составляет 3150 руб.

D-Link ANT24-0700

Антенна D-Link ANT24-0700 - это вариант штыревой антенны для использования внутри помещений. Как и любая штыревая антенна, ANT24-0700 является всенаправленной (изотропной) в горизонтальной плоскости, однако от штатных штыревых антенн, которыми комплектуется большинство точек доступа, ее отличает высокий коэффициент усиления, равный 7 dBi.

Антенна
D-Link ANT24-0700

Данная антенна имеет удобную подставку, которая допускает установку антенны на горизонтальную поверхность, крепление на стену, а также крепление к корпусу ПК с помощью встроенных магнитов. При креплении подставки антенны на стену предусмотрена возможность изменения угла наклона антенны. К точке доступа антенна подсоединяется с использованием 50-омного кабеля длиной 1,5 м с разъемами SMA. Кроме того, возможно непосредственное соединение антенны с точкой доступа (без использования кабеля).

Высота антенны (включая основание) составляет 326 мм, а диаметр ее мачты - 9 мм.

К сожалению, антенна D-Link ANT24-0700 (как и все штыревые антенны) является неразборной. То есть разобрать ее, конечно, можно, но только один раз и навсегда. А потому ознакомиться с внутренней конструкцией антенны, то есть узнать длину самого вибратора, мы не смогли. Единственное, что известно об этой антенне из технической документации, кроме коэффициента усиления, - это ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости, которая составляет 24°. Ну а ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, как и для любой штыревой антенны, равна 360°.

Средняя розничная цена этой антенны составляет порядка 800 руб.

D-Link DWL-R60AT

Направленная антенна D-Link DWL-R60AT предназначена для внутреннего использования. Она относится к разряду миниатюрных панельных антенн - ее габариты составляют всего 80x85x12,8 мм. Антенна предусматривает непосредственное (без использования кабеля) подключение к точке доступа с помощью разъема SMA.

Согласно технической документации, антенна D-Link DWL-R60AT имеет коэффициент усиления 6 dBi. Кроме того, известно, что ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости составляет у нее 90°, а ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости - 60°.

Внутренне устройство этой антенны достаточно простое и мало чем отличается от устройства антенны TP-Link TL-ANT2409A. Над металлическим заземленным квадратным экраном размером 70x70 мм на высоте 4,5 мм расположен излучающий элемент, представляющий собой металлический прямоугольник размером 49x52 мм. Подводка фидера к излучающим элементам производится с обратной стороны экрана.

Схема антенны D-Link DWL-R60AT приведена на рис. 7.

Рис. 7. Схема антенны D-Link DWL-R60AT

Как видите, конструкция данной антенны чрезвычайно проста, и при желании ее можно легко изготовить самостоятельно. Но если такого желания нет, то эту антенну можно купить всего за 410 руб.

D-Link ANT24-1800

Панельная антенна D-Link ANT24-1800предназначена для использования вне помещений. Основное ее назначение - обеспечить беспроводное соединение между двумя удаленными друг от друга стационарными точками доступа. Согласно паспортным данным, эта антенна обеспечивает связь на расстоянии до 8 км при скорости соединения 1 Мбит/с и на расстоянии до 3 км при скорости соединения 11 Мбит/с.

Ее размеры составляют 360x360x16 мм. В комплекте с антенной поставляются монтажные скобы, которые позволяют закрепить ее на вертикальной стене или на столбе (рис. 8).

Рис. 8. Монтажные скобы для антенны
D-Link ANT24-1800

Корпус антенны сделан водонепроницаемым - все швы обработаны герметиком.

Согласно паспортным данным, коэффициент усиления данной антенны составляет 18 dBi. Столь высокое значение достигается за счет узкой диаграммы направленности антенны - ее ширина в вертикальной и горизонтальной плоскостях составляет всего 15°.

Для подключения кабеля к антенне используется разъем N-типа («мама»). Кроме того, в комплекте прилагается кабель длиной 0,5 м с разъемами N-типа и SMA. Естественно, что длины этого кабеля недостаточно для подключения антенны к точке доступа, поэтому в комплекте также входит переходник с разъемами N-типа («мама»-«папа») для подсоединения кабеля-удлинителя, который в комплекте не поставляется (рис. 9).

Рис. 9. Переходник с разъемами N-типа
(«мама»-«папа»)

К сожалению, вскрыть данную антенну, не повредив ее герметичности, было невозможно. Однако несложно догадаться, что по своей конструкции она будет напоминать антенну TL-ANT2414A. Различия могут быть разве что в количестве и размерах прямоугольных излучателей.

В заключение добавим, что розничная цена антенны D-Link ANT24-1800 колеблется от 3400 до 4400 руб.

Заключение

Итак, после рассмотрения нескольких моделей антенн можно констатировать, что все направленные антенны устроены примерно одинаково и очень просто. Если антенна относится к панельному типу, то ее конструкция включает экран и излучатель, выполненный в форме прямоугольника и установленный на некотором расстоянии от экрана. Различия между антеннами заключаются лишь в размерах излучателя и экрана, а также в расстоянии между ними. В антеннах, предназначенных для использования внутри помещений, имеется один излучатель, а антенны, предназначенные для применения вне помещений, могут содержать несколько излучателей.

Отметим также, что стоимость всех антенн явно завышена - не очень понятно, почему за два куска жести нужно платить такие деньги.

В. Поляков, RA3AAE

В этой статье нет ничего нового, она позволяет лишь взглянуть под иным углом зрения на давно известные факты, а также может послужить общеобразовательным целям. Есть и немного ностальгии…

Хорошо известно, что электрически короткие проволочные или штыревые антенны (длиной менее четверти волны) имеют емкостное реактивное сопротивление X и малое активное сопротивление излучения r, причем первое растет с укорочением антенны, а второе - уменьшается. Потери в самой антенне весьма малы, это подтверждают и программы моделирования антенн, например MMANA, показывая высокий КПД. Потери возникают в согласующей катушке (удлиняющей, либо контурной) и в заземлении.

Эквивалентную схему короткой заземленной приемной антенны обычно изображают так, как на рис. 1 справа. Е обозначает напряженность поля принимаемого сигнала, а hд - действующую высоту антенны. Слева показана сама антенна и распределение тока в ней. Оно синусоидальное, но для коротких антенн его приближенно считают треугольным.

Емкостное сопротивление Х и сопротивление излучения r антенны определяют по формулам, приводимым во многих книгах и учебниках:
X = Wctg(2ph/l), и r = 160p2(hд/l)2,

где W - волновое сопротивление провода антенны.

Формулы удается упростить, введя волновое число k = 2p/l и заменив умножение на котангенс делением на тангенс, а его, в свою очередь, заменив аргументом, ввиду его малости (h << l). С учетом того, что действующая высота hд антенны в виде короткого вертикального провода равна половине геометрической h из-за треугольного распределения тока, получим:

X = W/kh, и r = 10(kh)2.

К сожалению, эквивалентная схема на рис. 1 недостаточно наглядна, поскольку не показывает реального шунтирования входа приемника антенной. Целесообразно воспользоваться правилами преобразования последовательного соединения емкости и активного сопротивления в паралельное (см. книги по теории цепей). Для нашего случая, когда r << X, они очень просты (рис. 2).


Получившаяся эквивалентная схема приемной антенны показана на рис. 3, и из нее видно, что импеданс антенны определяется параллельно включенными емкостью С и резистором R. Этот импеданс шунтирует вход приемника независимо от того, есть напряжение сигнала на антенне, или его нет. Емкость С - это просто емкость антенны, для тонкого провода ее легко найти из расчета 5...7 пФ/м, а для относительно "толстых" телескопических антенн - 8...12 пФ/м.

Сопротивление R найдем, подставив в последнюю формулу на рис. 2 найденные выше значения X и r:
R = W2/10(kh)4.

Для тонкого провода в свободном пространстве W обычно полагают равным 600 Ом. Подставляя это значение, а также k = 2p/l, получим расчетную формулу:
R = 23(l/h)4.

С ее помощью, для иллюстрации, посчитаем емкость и сопротивление короткой проволочной вертикальной антенны для частоты 1 МГц (средняя частота диапазона СВ) и полагая сопротивление заземления равным нулю.

Результаты расчета сведены в таблицу:

Они поражают. Из таблицы видно, что эквивалентное (параллельное входу) активное сопротивление короткой вертикальной антенны огромно. Оно практически не шунтирует вход приемника. Это позволяет при низком входном сопротивлении приемника не учитывать активное сопротивление антенны R и считать, что на вход приемника поступает только емкостный ток через С (рис. 3). Тогда напряжение на входе приемника удается рассчитать просто по закону Ома.

Пример: к 50-омному входу приемника, работающего в диапазоне СВ, подключена 3-х метровая вертикальная антенна. Ее емкостное (18 пФ) сопротивление на частоте 1 МГц более 8 кОм. При напряженности поля радиостанции 10 мВ/м наведенное на антенне напряжение будет: E.hд = 10мВ/м.1,5м = 15 мВ. Емкостный ток получается около 15мВ/8кОм = 2мкА. Помножив его на сопротивление входа (50 Ом) получаем напряжение на входе около 100 мкВ.

Из примера видно, что короткие антенны не могут развить на низкоомном входе приемника большого напряжения. В то же время на входе приемника с высокоомным входом (значительно более 8 кОм) та же антенна могла бы развить напряжение, близкое к E.hд, т. е. около 15 мВ. Именно такими и были старинные радиоприемники - одноламповые регенераторы, прямого усиления, и даже ламповые супергетеродины.

В одноконтурных регенераторах антенну подключали к контуру либо непосредственно, либо через конденсатор связи небольшой емкости (рис. 4). Непосредственное подключение (гнездо А2) годится только для совсем коротких антенн с небольшой емкостью, которая компенсируется соответствующим уменьшением контурной емкости С2. Длинную антенну нельзя включать в гнездо А2, ибо это привело бы к сильной расстройке и внесению большого затухания в контур. Ее включали в гнездо А3, причем конденсатор связи С2 в разумно спроектированных конструкциях делали регулируемым, например 8…30 пФ, что позволяло ослаблять связь с антенной при сильных сигналах и больших помехах.

Резонансное сопротивление контура достигает на частотах СВ диапазона сотен килоом, а на ДВ еще больше. В регенераторах его надо еще помножить на коэффициент регенерации, тогда получаются многие мегаомы. Как видим, старинные приемники очень хорошо подходили для работы с короткими проволочными антеннами, имея очень высокое входное сопротивление. Не изменилась ситуация и в приемниках прямого усиления с УРЧ и супергетеродинах.

В эпоху до широкого применения магнитных антенн для связи с антенной использовали катушку L1 имевшую в 4…5 раз больше витков, чем контурная. Рассчитывали, чтобы эта катушка с емкостью «стандартной» антенны образовывала резонансный контур, настроенный на частоту ниже самой нижней частоты диапазона. Тогда выравнивался коэффициент передачи входной цепи по диапазону. Расчет и графики можно найти в учебниках по радиоприемным устройствам. Но в них не упоминают другой эффект от такого решения. Сопротивление контура трансформировалось к антенне в 16…25 раз при сильной связи и несколько меньше при слабой. Опять таки входное сопротивление приемника получалось несколько мегаом и более.

Приведенные данные ясно показывают, что для экспериментов с уникальными слаботочными антеннами (метелочными, костровыми и т. д.) нужны именно приемники с высокоомным входом, включающим настроенный контур, лампу или полевой транзистор.

В длинноволновом и средневолновом диапазонах невозможно создавать направленные антенны, так как длина ее значительно меньше четверти. В указанных диапазонах применяются антенны в виде штырей.

Распространение тока и напряжения вдоль четвертьволнового штыря. Основным источником потерь у таких антенн являются токи в земле. Поэтому применяют противовесы (заземление) в виде пучка проводов закопанных в землю на глубину 20-40 см. Причем, чем меньше сопротивление заземления, тем больше КПД антенны.

Сопротивление излучения антенны связано с действующей высотой следующим образом:

Входное сопротивление несимметричного вибратора в два раза меньше, чем у эквивалентного симметричного вибратора, поскольку при одинаковых токах питания у первого напряжение питания в два раза меньше (рис.2).

Многих интересует, как влияет высота подъема штыря на его диаграмму направленности и зависит ли его сопротивление от высоты подвеса. В преддверии всего этого я познакомлю вас с важнейшим результатом (6). Он заключается в том, что распределение токов в штыре не зависит от высоты подвеса при наличии идеальной земли- системы противовесов.

Это очень важный результат. Практически это означает, что на какой бы высоте штырь вместе со своей системой “земли” ни находился, его сопротивление будет постоянным.

Но это частный случай более общего решения. Общий результат решения показывает, что если штырь настроен в резонанс, то его нижний конец можно заземлить. При этом его можно питать в любой точке.

На результатах этого важного вывода и созданы штыревые антенны (флаг-антенны, мачты-антенны), нижний конец которых соединен с “землей” и которые питаются через гамма-согласование или каким-либо другим способом, более удобным в данном случае.

Диаграммы направленности l /4-штыря приведены на рис.17. Из этого рисунка видно, что чем больше поднимается антенна, тем более пологий угол излучения к горизонту. Это объясняется тем, что происходит сложение излученной штырем волны и волны, отраженной от земли. Естественно, что если почва обладает плохими проводящими свойствами, то диаграмма направленности будет близка к диаграмме направленности штыря над землей.

Поднимать антенну на высоту более длины волны не имеет смысла, так как при этом уже не происходит уменьшения угла излучения, а только начинают дробиться верхние боковые лепестки. При поднятии на высоту штырей длиной более l /4 результат будет такой же. На рис.17 приведены диаграммы направленности штырей разной длины, размещенных над идеально проводящей землей (5). Следует запомнить еще одну интересную особенность штырей, высота которых равна l и более. Такие антенны в профессиональной связи используются как антифединговые (4). Для радиолюбителей это означает, что такая антенна будет принимать без проблем сигнал, приходящий с замираниями на l /4-штырь или четвертьволновой диполь.

Для успешной работы штыревая антенна должна быть согласована с линией питания и настроена в резонанс с излучаемым ей сигналом. Несмотря на все кажущееся многообразие согласующих устройств и штырей их можно разбить на три группы.

·штырь согласованный, электрическая длина которого равна l /4 (рис.19а)

· штырь с электрической длиной больше l /4 (рис.19б) (эту “лишнюю” длину убирают с помощью емкости);

· штырь с электрической длиной меньше l /4 (рис.19в) (“недостающую” длину добавляют катушкой индуктивности).

Для практики необходимо помнить, что конденсатор и катушка должны иметь максимально возможную добротность, а также, желательно, чтобы ТКЕ и ТКИ были как можно лучше. Обычно емкость укорачивающего конденсатора может быть в пределах 100 пФ на 28-18 и более на НЧ-диапазонах. Параметры удлиняющей катушки - единицы мкГн - до 21 МГц, десятки - до 3,5 МГц. Точно определить теоретическое их значение трудно, так как в этом случае происходит влияние коэффициента укорочения вибратора, торцевых емкостей на землю и массы других параметров. Вследствие этого согласующие реактивности часто подбирают экспериментально. Однако желающие могут воспользоваться работами (3,7,8) для определения точного теоретического значения удлиняющих и укорачивающих реактивностей.

В заключение следует отметить, что подобная практика согласования применима и к штырям длиной, кратной l /4.

Давайте начнём издалека. Как вообще можно увеличить дальность радиоуправления или видеотрансляции?
1. Изменить окуржающие условия. Не всё в наших силах, но всё же. Полёт в центре города очень отличается в плане помех от полёта в 10 км от города. Стоять лучше на пригорке крупной поляны, чем возле здания или леса. И т. д.
2. Выбрать погоду. Влажность и т. п. Например, для аппаратуры 5,8 ГГц облака - это очень белокрылые непрозрачные лошадки. Они с таким же успехом могли быть листами металла. Короче: если у вас 5,8 ГГц - летайте в безоблачную погоду или ниже облаков.
3. Увеличить мощность передатчика. Железно помогает, но есть свои проблемы:

• Замена со 100 мВт на 200мВт не даст увеличиния дальности в 2 раза. Всё очень нелинейно.
• Чем выше мощность передатчика тем печальнее ситуация для близлежащей аппаратуры. У вас рядом приёмник? Ему станет хуже! У вас 1,5 Ваттный видеопередатчик на борту? Сервомашинки начинают слушаться видео-передатчик, а не РУ-приёмник, к которому они подключены. Требуется разнос аппаратуры, экранирование и т. п. Масса увеличивается, дальность управления снижается и т. д. и т.п.
• Энергопотребление.
• Охлаждение.
• Ограничения законодательства.

4. И наконец самый сложный способ: подбор более выгодной антенны. Тут несколько направлений:

• Выбор направленой или всенаправленой антенны.
• Выбор конкретного типа антенны.
• Выбор способа её установки и механизации.
• Выбор коэффициента усиления.

Собственно, рассказать я бы хотел именно о выборе коэффициента усиления для всенаправленных штыревых антенн. Они чаще всего оказываются в руках граждан поскольку идут в комплектах с аппаратурой. Кроме того, они самые приемлимые по цене.

Перед дальнейшим объяснением мне нужно понимание трёх вопросов. Постараюсь объясить так, чтобы любой понял.
1. Антенны существуют для радиосвязи. Таких понятий как, антенна для приёма или для передачи - нет. Антенна с одинаковым успехом будет приёмной и передающей. На практике, для конкретных условий, выгодней на передачу поставить такую-то антенну, а на приём другую, но это совсем другая история. Ниже расскажу.
2. Диаграмма направленности антенны - это область в пространстве, в которую уходит сигнал от антенны. Дальше этой области сигнал слишком слаб, чтобы его можно было использовать. Если антенна установлена на на приёмнике - значит область из которой антенна может принимать сигнал. Дальше этой области не примет. Форма этой области бывает очень разной: шары, лепестки, торы, конусы и т. п. Суть в том, что если в пространстве пересеклись диаграммы направлености приёмной и передающей антенны - связь будет. А если не пересеклись - связи не будет.
3. Коэффициент усиления антенны. Очень примитивно - это во сколько раз сильнее антенна излучает/принимает сигнал при прочих равных.

Я, как и многие, считал, что жизнь устроена просто. При прочих равных однотипная антенна на 5dbi лучше чем на 2 dbi. А на 8 dbi ещё лучше! Это ужасно, но это не так. Так получилось, что про этот аспект мне некому было рассказать, и я стал страдать гигантоманией. У меня было 12 dbi на передатчике и 5 dbi на приёмнике. Антенны по длине почти как на мегагерцовой аппаратуре! Но я человек простой: мощности двигателя самолёта хватит чтобы тащить такие вещи? Значит - не проблема.
В теории антенна с 0 dbi даёт диаграмму направленности по типу шара. Размер шара (при отсутствии внешних раздражителей, а ещё лучше в открытом космосе) будет зависить только от мощности передатчика или чувствительности приёмника (смотря, на приём или на передачу работает антенна).

Антенна с коэффициентом усиления в 1 dbi даст при прочих равных шар покрупнее, но он будет немного уже не идеальный шар, а такой... приплюснутый сверху и снизу.

Чем большй коэффициент усиления антенны вы будете использовать, тем больше будет радиус шара, но тем более он будет сплюснут по вертикали. В итоге вы получите этакий блин огромного радиуса, но малой толщины.

Вот диаграмма направлености вертикально установленой на земле антенны с 12dbi. Вид сбоку.

Т. е. антенна, говоря по честному, уже перестанет быть всенаправленной. Например к антенне c 8dbi производетель пишет :

Угол направления по горизонтали = 360 градусов.
Угол направления по вертикали = 15 градусов.

Если вы держите штырь отвесно возле земли (1 м над поверхностью), то из 15 градусов 7,5 уходят под землю. Остальные 7,5 - в вашем полном распоряжении. Вы даже можете целиться боком антенны в самолёт.

Для сравнения маленькая таблица штыревых антенн на 2,4 ГГц по данным нескольких производителей.

КУ вертикальный угол
5 dbi 32-40 градусов
8 dbi 13-30 градусов
12 dbi 6-12 градусов

Напрашиваются выводы:
1. На самом самолёте все приёмные/передающие антенны, если они штыревые, должны быть с минимально разумным коэффициентом усиления. Полагаю, что разумно - это 1-2,5 dbi. Это связано с невозможностью сохранения постоянными крена и тангажа самолёта.
2. На земле антенны с высоким коэффициентом усиления будут очень мешать высоким полётам и проходом над собой. Однако, далеко и невысоко - хорошо. Например, описаный выше угол в 7,5 градусов на расстоянии в 1,5 км предполагает нахождение самолёта не выше 100 м.
3. Тыканье концом антенны в самолёт тем хуже даст эффект, чем выше коэффициент усиления этой антенны.
4. При выборе штыря есть смысл учитывать ещё одну характеристику: вертикальный угол направленности. Для равных по КУ антенн он может различаться.