Любой опытный пользователь скажет, что при выборе роутера смотреть нужно на технические характеристики. Однако просто смотреть мало, важно понимать. Чтобы вам было проще ориентироваться в описаниях и обилии терминов, в этой статье мы расскажем, на что влияет коэффициент усиления, рассмотрим диаграммы направленности антенн и объясним, откуда у антенн лепестки.
Оглавление
- Антенна на пальцах
- Коэффициент усиления антенны
- Виды антенн
- Всенаправленные антенны
- Направленные антенны
- Секторные антенны
- Отражатели
Технология радиосвязи появилась в конце XIX века, когда русский физик Александр Попов первым в мире сумел воплотить в жизнь принцип передачи сигналов на расстояние при помощи электроимпульсов. Первая радиограмма содержала ровно два слова: «Генрих Герц». Открытие взбудоражило научный мир, и многие ученые начали наперегонки улучшать и дорабатывать прибор Попова. Так друг за другом были изобретены телеграфная, радио- и телефонная связь, а затем и телевидение.
Спустя почти полтора века со дня рождения радио технология была осовременена и перенесена в мир победивших телекоммуникаций, но базовый процесс приема и отправки сигналов остался прежним. Чтобы передавать данные «по воздуху», то есть через Wi-Fi, роутеру требуется ряд стандартных компонентов, и один из незаменимых модулей — это блок антенны.
Антенна на пальцах
Если при слове «антенна» вы представляете себе спутниковую тарелку, то вы правы и неправы одновременно. Поймать какую-либо радиостанцию на обычном приемнике можно при помощи кусочка проволоки или металлического стержня, а антенна роутера может выглядеть как небольшая дорожка из меди прямо на плате. Все зависит от типа сигнала и от его силы. Дело в том, что антенна сама по себе не может передавать или принимать сигнал. Она всего лишь пассивное устройство, которое концентрирует его.
Сигналом могут быть как радиоволны, так и обычный свет. Чтобы перевести теорию в практическое поле, возьмем лампу накаливания с вольфрамовой спиралью. Мощности ее рассеянного света хватает только на то, чтобы мы увидели предметы в пределах 5 или 10 см. Если свет должен пройти дальше, необходимо направить его. Например, установив отражатель правильной формы. Рассеянная сфера тут же станет достаточно ярким лучом.
Так вот, антенна — это отражатель. В зависимости от требований она может иметь совершенно разные характеристики, влияющие на качество сигнала и дальность его распространения. Как уже было сказано, значение имеет даже форма.
Коэффициент усиления антенны
Немного терминологии: коэффициентом усиления называется величина, которая указывает, на сколько мощность реальной антенны превышает мощность эталонной. Эталонная антенна представляет собой изотропный излучатель с диаграммой направленности в виде идеальной сферы. Сигнал от изотропного излучателя распространяется во всех направлениях равномерно, «слепые зоны» и потери отсутствуют. Чем мощнее такая антенна, тем больше сфера.
Изотропного излучателя в природе не существует, но сделаем допущение и примем за него все ту же лампочку. Свет от нее расходится во все стороны и быстро рассеивается, поэтому сама по себе она может осветить только очень небольшую область. Однако если мы поставим перед лампой отражатель, часть потерянного света будет возвращена и перенаправлена в нужную сторону. Следовательно, отражатель сыграет роль антенны для изотропного излучателя (лампочки), а разница в силе свечения будет нашим коэффициентом усиления. Он измеряется в изотропных децибелах (дБи).
В нашем примере данная величина будет тем выше, чем качественнее и больше по площади отражатель. Что касается пассивных антенн, то нужно учитывать тип антенны, ее размеры и материал (к примеру, алюминий отражает сигнал хуже, чем медь). Кроме того, важны параметры настройки — для каждой антенны обязательно задается конкретная частота.
Виды антенн
Различных сигналов вокруг нас не просто сотни или тысячи, а миллионы. Приемники и передатчики не должны их путать, значит каждой категории сигналов необходимы уникальные отличительные признаки. Все верно — в каждой сфере используются специализированные антенны (для приема спутниковых сигналов, для волн разной длины и даже для приема космического излучения). Количество типов антенн исчисляется десятками, но мы рассмотрим только самые распространенные. Для понимания того, как работает сеть Wi-Fi, этого хватит.
Всенаправленные антенны
Это знакомые большинству «рожки» на Wi-Fi роутерах. Они предназначены для помещений и заранее настроены так, чтобы создать оптимальное покрытие со стабильным сигналом по горизонтали. В двумерном представлении это выглядит вот так.
Участки над антенной и под ней сигналом не охватываются. Это «слепые зоны», которые хорошо видны на 3D-модели диаграммы.
У всенаправленных антенн не очень большой коэффициент усиления, обычно от 2 до 6 дБи. Достаточно для локальной сети в квартире, частном доме или небольшом офисе, но катастрофически мало, если целевая дистанция — это сотни метров или километры. Поэтому антенны из данной категории устанавливаются на роутеры потребительского класса.
В случае с лампами всенаправленным отражателем будет матовая колба, равномерно распределяющая свет вокруг.
Направленные антенны
В беспроводных сетях нередко встречаются антенны второй распространенной категории. Направленная антенна, как ясно из названия, предназначена для передачи сигнала в конкретном направлении. У нее самый высокий коэффициент усиления, он может достигать 34 дБи. За счет узкого диапазона покрытия сигнал превращается в пучок длиной несколько десятков километров. Диаграмма направленной антенны имеет следующую форму.
Преобразовав его в 3D-модель, получим объект вот такого вида.
При анализе сигналов подобной формы используется понятие лепестков. Лепесток — это область диаграммы направленности. У направленной антенны без модификаций их четыре: задний, два боковых и передний. Передний лепесток является главным, он указывает направление, по которому передается максимальное количество энергии. Чем меньше боковых лепестков, тем эффективнее антенна.
При помощи таких антенн создаются радиомосты между точками доступа Wi-Fi, расположенными далеко друг от друга, например в разных районах города. Непосредственно возле направленного излучателя качество покрытия сети будет крайне низким.
Не будем нарушать традицию аналогий со световыми волнами. Направленная антенна для передачи света — это маяк. Благодаря системе зеркал свет от него идет по узкому лучу и виден на огромных расстояниях.
Секторные антенны
Это подвид направленных антенн, у которых изменена форма переднего лепестка. На иллюстрации ниже видно, что он покрывает значительную область по горизонтали. Дальнобойность секторной антенны меньше, чем у классической направленной, но все еще достаточно велика. Ее назначение не в том, чтобы передать сигнал как можно дальше, а в том, чтобы охватить заданный сектор.
Главный лепесток диаграммы раскрывается очень широко, вплоть до 180°, но мощность по вертикали резко падает.
Секторные антенны часто можно встретить в системах для усиления сигнала сетей 3G/4G и в решениях беспроводной связи корпоративного уровня, например для больших офисов формата open space, торговых центров или складов. Они также устанавливаются в местности со сложным рельефом. Коэффициент усиления такого излучателя равен 16–20 дБи. Его можно увеличить в 2–3 раза, установив дополнительный активный усилитель.
Что касается источников света, то секторной антенной будет выступать линза или отражатель определенной формы, преобразующие рассеянный свет в широкое пятно. Здесь не придумать примера лучше, чем обычный карманный фонарик.
Отражатели
Форму и мощность светового потока можно изменять при помощи отражателей. Например, плоская поверхность будет рассеивать свет от лампы, однако его яркости хватит на освещение нескольких метров вокруг. Зеркальная полусфера отразит световую волну и превратит ее в направленный яркий луч. А если поставить еще одну линзу и отражатель, то луч выхватит из темноты даже соседние дома. Начальная сила света от лампы при этом меняться не будет.
Примерно так же и антенны придают форму потокам радиоволн, направляя их в одну сторону или во все сразу. Вы даже можете поставить домашний эксперимент по превращению всенаправленной роутерной антенны в секторную. Попробуйте установить за ней металлический отражатель примерно такого же типа, как в фонарике, и почувствуйте разницу.
