Что такое коэффициент усиления антенны: ответ Wi-Fi-Гида
Всем привет! Я не буду вас грузить сложными понятиями, а также формулами. Те люди, которые их знают, на эту статью точно не попадут. Я постараюсь приблизительно представить в вашей голове, что же такое коэффициент усиления антенны. Во второй главе я расскажу, как можно усилить Wi-Fi или мобильный интернет (3G, 4G), так же как можно ловить или передавать интернет на многие километры. Если у вас останутся вопросы после прочтения статьи, то пишите в комментариях.
Разбор
Давайте начнем с самого начала. Все эти антенны нужны для излучения радиоволн. Что же такое радиоволны? – это электромагнитное излучение. Её используют почти везде – мобильна связь 3G, 4G, 5G, LTE, Wi-Fi, спутниковый интернет, радио и т.д.
Свет является такой же волной, только имеет более высокую частоту. Давайте представим себе, что у нас есть лампочка. Мы возьмем эту лампочку и прикрутим её в большой комнате. Если включить эту лампочку, то свет начнет светить во все стороны. Так как комната большая, то большая часть углов будут еле-еле подсвечены или будут полностью погружены во мрак.
Теперь мы возьмем, и с одной стороны лампочки установим специальный отражатель с зеркальной поверхностью. Теперь лампа начнет светить только в одну сторону – пучок света стал сильнее и может осветить даже более темные участки и углы. Если отражатель сделать уже по отношению к выходному свету, то пучок станет также уже, а расстояние, на которое сможет пройти свет без серьезного затухания, станет выше. Но с других сторон, где свету преграждает стенки отражателя – везде будет тьма. На таком принципе работаю все фонарики.
А теперь мы подобрались к простому определению. Коэффициент усиления (КУ) антенны – это способность антенны концентрировать сигнал в определенном направлении, при этом возможность как принимать, так и передавать сигнал.
Рассчитывается как отношение мощности, которая необходима, чтобы создать напряжение антенны в концентрированном направлении, к мощности, которая нужна была бы (в теории), чтобы подвести к эталонной антенне для создания такой же напряженности поля в той же точке.
Пока ничего не понятно? Смотрите, эталонная антенна – это та антенна, которая как наша лампочка распространяет радиоволны во все стороны. А вот реальная антенна – это как раз та самая лампочка с отражателем, которая концентрирует сигнал в определенный пучок.
Посмотрите на рисунок выше. КУ – это как раз размер того самого пучка. Чем выше КУ, тем сам пучок имеет меньший угол, но более высокую длину или, если быть точнее, дальность распространения. КУ антенны измеряется в децибелах (дБ, дБи, дБд). В характеристиках роутера, а также у 3G/4G или Wi-Fi антенн обычно используется показатель dBi (или дБи).
Посмотрите на картинку ниже. Как понятно из картинки, чем больше параметр dBi, тем дальше летит радиоволна. Но тут также нужно учитывать, что сам размер пучка становится меньше.
Именно поэтому дома у роутера устанавливают всенаправленные антенны с dBi от 3 до 5, чтобы не приходилось ходить с телефоном и ловить этот самый пучок. Но если вы хотите передать интернет с вай-фай на несколько километров по мосту, то уже используют устройства с большим показателем КУ – от 15 dBi и больше.
Как улучшить сигнал и усилить антенну?
Смотря для чего вы хотите это сделать. Для домашнего Wi-Fi можно сделать отдельную всенаправленную антенну. Особенно это помогает, если антенки у маршрутизатора внутренние. Второй вариант, если вы хотите построить вай-фай мост.
Что такое Wi-Fi мост? Представим ситуацию, что вы живете в частном доме. А ваш брат через пару километров в многоэтажке. Все провайдеры вам отказывают проводить интернет. 3G/4G не ловит, и тогда на помощь может прийти Wi-Fi мост. Ваш брат покупает (или делает сам) Wi-Fi пушку, которая подключена к его роутеру. Вы делаете или покупаете аналогичное устройство.
Обе эти Wi-Fi пушки из-за большого КУ должны быть направлены точно друг на друга. Вспоминаем, чем больше КУ, тем дальше летит радиоволна, но имеет меньший размер луча. Вот таким вот образом можно передать вай-фай с интернетом по мосту на несколько километров.
Если же вы хотите усилить мобильный сигнал, то все делается примерно аналогично. Покупаем или делаем узконаправленную антенну с высоким КУ. Направляем её на вышку. Антенну можно подключить к повторителю дома. Опять же есть как самодельные варианты, так и покупные. О тех и других я уже подробно писал тут.
Формула
Видео
Если еще остались вопросы, то можете посмотреть полезное видео ниже или обратиться ко мне в комментариях.
Ликбез по антеннам: диаграмма направленности
Аннотация
Введение
Антенна, вне зависимости от конструкции, обладает свойством обратимости (может работать как на прием, так и на излучение). Часто в радиорелейных трактах одна и та же антенна может быть подключена одновременно к приемнику и передатчику. Это позволяет излучать и принимать сигнал в одном направлении на разных частотах.
Почти все параметры приемной антенны соответствуют параметрам передающей антенны, но иногда имеют несколько другой физический смысл.
Несмотря на то, что приемная и передающая антенны обладают принципом двойственности, в конструктивном отношении они могут существенно отличаться. Связано это с тем, что передающая антенна должна пропускать через себя значительные мощности для передачи электромагнитного сигнала на большие (максимально возможные) расстояния. Если же антенна работает на прием, то она взаимодействует с полями очень малой напряженности. Вид токопередающей конструкции антенны часто определяет ее конечные габариты.
Пожалуй, основная характеристика любой антенны это диаграмма направленности. Из нее вытекает множество вспомогательных параметров и такие важные энергетические характеристики как коэффициент усиления и коэффициент направленного действия.
Диаграмма направленности
Диаграмма направленности (ДН) – это зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. В объеме диаграмма направленной антенны может выглядеть так, как показано на рисунке 1.
То, что изображено на рисунке выше также еще называют пространственной диаграммной направленностью, которая является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов. Главный максимум, выделенный на рисунке красным цветом, называется главным лепестком диаграммы и соответствует направлению главного излучения (или приема). Соответственно первые минимальные или (реже) нулевые значения напряженности поля вокруг главного лепестка определяют его границу. Все остальные максимальные значения поля называются боковыми лепестками.
На практике встречаются различные антенны, которые могут иметь несколько направлений максимального излучения, или не иметь боковых лепестков вовсе.
Для удобства изображения (и технического применения) ДН их принято рассматривать в двух перпендикулярных плоскостях. Как правило, это плоскости электрического вектора E и магнитного вектора H (которые друг другу в большинстве сред перпендикулярны), рисунок 2.
В некоторых случаях ДН рассматривают в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Плоские диаграммы изображают полярной или декартовой (прямоугольной) системами координат. В полярных координатах диаграмма более наглядна, и при наложении ее на карту можно получить представление о зоне действия антенны радиостанции, рисунок 3.
Представление диаграммы направленности в прямоугольной системе координат более удобно для инженерных расчетов, такое построение чаще применяется для исследования самой структуры диаграммы. Для этого диаграммы строят нормированными, с главным максимумом, приведенным к единице. На рисунке ниже приводится типичная нормированная диаграмма направленности зеркальной антенны.
В том случае, когда интенсивность бокового излучения довольно небольшая и в линейном масштабе измерение бокового излучения затруднительно, применяют логарифмический масштаб. Как известно децибелы маленькие значения делают большими, а большие – маленькими, поэтому та же самая диаграмма в логарифмическом масштабе выглядит так, как показано ниже:
Из одной только диаграммы направленности можно вытащить довольно большое количество важных для практики характеристик. Исследуем подробнее диаграмму, изображенную выше.
Один из наиболее важных параметров – это ширина главного лепестка по нулевому излучению θ0 и ширина главного лепестка по уровню половинной мощности θ0,5. Половина мощности соответствует уровню 3 дБ, или уровню 0,707 по напряженности поля.
Из рисунка 6 видно, что ширина главного лепестка по нулевому излучению составляет θ0 = 5,18 град, а ширина по уровню половины мощности θ0,5 = 2,15 град.
Также диаграммы оценивают по интенсивности бокового и обратного излучения (мощности боковых и задних лепестков), отсюда вытекает еще два важных параметры антенны – это коэффициент защитного действия, и уровень боковых лепестков.
Коэффициент защитного действия – это отношение напряженности поля, излученного антенной в главном направлении к напряженности поля, излученного в противоположном направлении. Если рассматривают ориентацию главного лепестка диаграммы в направлении на 180 градусов, то обратного – на 0 градусов. Возможны и любые другие направления излучения. Найдем коэффициент защитного действия рассматриваемой диаграммы. Для наглядности изобразим ее в полярной системе координат (рисунок 7):
На диаграмме маркерами m1,m2 изображены уровни излучения в обратном и прямом направлениях соответственно. Коэффициент защитного действия определяется как:
— в относительных единицах. То же самое значение в дБ:
Уровень боковых лепестков (УБЛ) принято указывать в дБ, показывая тем самым, насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка, рисунок 8.
Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления
Это два немаловажных параметра любой антенной системы, которые напрямую вытекают из определения диаграммы направленности. КНД и КУ часто путают между собой. Перейдем к их рассмотрению.
Коэффициент направленного действия
Коэффициент направленного действия (КНД) – это отношение квадрата напряженности поля, созданного в главном направлении (Е0 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля по всем направлениям (Еср 2 ). Как понятно из определения, КНД характеризует направленные свойства антенны. КНД не учитывает потери, так как определяется по излучаемой мощности. Из сказанного выше можно указать формулу для расчета КНД:
Если антенна работает на прием, то КНД показывает, во сколько раз улучшится отношение сигнал/шум по мощности, при замене направленной антенны ненаправленной, если помехи приходят равномерно со всех направлений.
Для передающей антенны КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряженностей поля в главном направлении.
КНД абсолютно ненаправленной антенны, очевидно, равно единице. Физически пространственная диаграмма направленности такой антенны выглядит в виде идеальной сферы:
Такая антенна одинаково хорошо излучает во всех направлениях, но на практике нереализуема. Поэтому это своего рода математическая абстракция.
Коэффициент усиления
Как уже было сказано выше, КНД не учитывает потери в антенне. Параметр, который характеризует направленные свойства антенны и учитывает потери в ней, называется коэффициентом усиления.
Коэффициент усиления (КУ) G – это отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в главном направлении (Е0 2 ), к среднему значению квадрата напряженности поля (Еоэ 2 ), созданного эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей. Также отметим, что при определении КУ учитываются КПД эталонной и измеряемой антенны.
Понятие эталонной антенны очень важно в понимании коэффициента усиления, и в разных частотных диапазонах используют разные типы эталонных антенн. В диапазоне длинных/средних волн за эталон принят вертикальный несимметричный вибратор длиной четверть волны (рисунок 10).
В диапазоне коротких волн в качестве эталонной антенны принимают симметричный полуволновый вибратор, для которого D э=1,64, тогда КУ:
В диапазоне СВЧ (а это почти все современные Wi-Fi, LTE и др. антенны) за эталонный излучатель принят изотропный излучатель, дающий Dэ=1, и имеющий пространственную диаграмму, изображенную на рисунке 9.
Коэффициент усиления является определяющим параметром передающих антенн, так как показывает, во сколько раз необходимо уменьшить мощность, подводимую к направленной антенне, по сравнению с эталонной, чтобы напряженность поля в главном направлении осталась неизменной.
КНД и КУ в основном выражают в децибелах: 10lgD, 10lgG.
Заключение
Таким образом, мы рассмотрели некоторые полевые характеристики антенны, вытекающие из диаграммы направленности и энергетические характеристики (КНД и КУ). Коэффициент усиления антенны всегда меньше коэффициента направленного действия, так как КУ учитывает потери в антенне. Потери могут возникать из-за отражения мощности обратно в линию питания облучателя, затекания токов за стенки (например, рупора), затенение диаграммы конструктивными частями антенны и др. В реальных антенных системах разница между КНД и КУ может составлять 1.5-2 дБ.
Как выбрать телевизионную антенну
Когда нужна телевизионная антенна.
В большинстве городов «рога» антенны над телевизором (как и шаманские действия по её настройке) давно стали достоянием истории – кабельное телевидение практически полностью вытеснило эфирное вещание. Но вот в загородные дома и, особенно, в дачные поселки цивилизация проникла еще не повсюду, а телевизор посмотреть хочется. Да и городов, еще не попавших в паутину кабельного ТВ, на карте России хватает. И здесь телевизионные антенны все еще актуальны.
Но условия приема телевизионного сигнала везде разные – с одного места башню телецентра можно разглядеть невооруженным глазом, с другого – до нее десятки километров. Антенны во всех этих случаях потребуются разные. И, чтобы покупка не разочаровала, следует выяснить условия приема в месте установки антенны, определиться с её характеристиками и только после этого идти в магазин.
Как выяснить условия приема? Хорошо, если телецентр и его передающую вышку видно из окна – тогда вопрос отпадает. А если до телецентра несколько десятков километров – как тогда определить, в каком направлении и как далеко находится ближайшая вышка ретранслятора? Это можно сделать с помощью интерактивной карты цифрового эфирного телевещания на сайте российской телевизионной радиовещательной сети. Следует только выбрать на карте свой регион и приблизить его до нужного масштаба. На карте отмечены как действующие, так и строящиеся вышки. Кроме того, можно просто щелкнуть указателем мыши в нужную точку на карте и в отдельном окне будет выведены расстояние и направление до ближайших вышек – как действующих, так и строящихся.
Характеристики телевизионных антенн.
Размещениебывает комнатным и наружным.
Комнатные, как следует из названия, устанавливаются внутри помещения, как правило, в непосредственной близости к телевизору. Несомненным достоинством комнатных антенн является простота их установки – фактически, большинство комнатных антенн достаточно просто подсоединить к телевизору и на этом установка антенны заканчивается. Настраивать комнатные антенны тоже намного проще в силу того, что качество «картинки» можно отслеживать самостоятельно непосредственно в процессе настройки. Недостатком комнатной антенны является то, что, по сравнению с аналогичной по характеристикам наружной антенной, комнатная гарантированно обеспечит худшее качество «картинки». Фактически, надеяться на хороший прием с комнатной антенны можно только там, где уровень телевизионного сигнала достаточно высокий. Это местность в непосредственной близости к телевышке (3-15 км от неё, в зависимости от мощности передатчика) и точки, находящиеся с этой вышкой в условиях прямой видимости.
Если вы не уверены, что ваш телевизор находится в зоне уверенного приема, но, по каким-то причинам не можете установить наружную антенну, покупайте комнатную антенну с активным усилением и старайтесь обращать её в сторону ближайшей телевышки, в идеале, через окно, направленное в соответствующую сторону.
Наружные антенны имеют больше шансов принять слабый сигнал от далекой телевышки. Для установки в загородном доме или на даче, в удаленной от телевышки местности, следует выбирать именно наружную антенну. Установка таких антенн потребует некоторых усилий и для её настройки потребуется помощник, но все затраты с лихвой окупятся качеством «картинки», которое ни одна комнатная антенна не будет в состоянии обеспечить. При установке наружной антенны не забывайте о важности правильной высоты установки антенны – часто качество сигнала можно значительно улучшить, подняв антенну выше на метр-полтора.
Усилитель ТВ-сигнала может быть необходим, если антенна не размещается в месте уверенного приема. Это может быть при:
— большой удаленности телевизора от передающей антенны телецентра или от ТВ-ретранслятора;
— наличии на линии между телевышкой и телевизором высотных зданий и сооружений;
— наличии на линии между телевышкой и телевизором производственных площадок, электроподстанций и других объектов, излучающих электромагнитные помехи;
— расположении телевизора в низине или за складками местности, препятствующими распространению электромагнитных волн.
Усиление может быть пассивным (внешнее питание отсутствует) – тогда антенна усиливает сигнал только за счет своей конструкции. При отсутствии внешнего питания возможности антенны по усилению сигнала ограничены, но это не всегда является недостатком – активный усилитель привносит в сигнал собственные шумы, которые могут заметно повлиять на качество «картинки». Поэтому выбирать антенну с активным усилением следует только в том случае, если пассивного усиления сигнала недостаточно для получения качественной «картинки».
Активное усиление предусматривает наличие в комплекте антенны отдельного электронного устройства – усилителя ТВ-сигнала. Такое устройство требует внешнего питания – от собственного блока питания или от иного источника (все большее распространение получают модели, подключаемые к порту USB, благо USB сегодня оснащается большинство современных телевизоров). Для мест, сильно удаленных от телевышки, покупка антенны с активным усилителем может оказаться единственным способом получения хоть какого-то изображения на экране. Но и в местах уверенного приема покупка активной антенны может быть оправданной – если планируется подключение к антенне нескольких телевизоров или длина кабеля от антенны до телевизора велика – 10 метров и более.
Как было указано выше, любой активный усилитель привносит в сигнал собственные шумы, возникающие при работе полупроводниковых элементов. К сожалению, соотношение сигнал/шум для антенного усилителя производителем антенны указывается очень редко, поэтому выбирать активную антенну, ориентируясь на этот параметр, получится вряд ли. Поэтому, чтобы избежать покупки антенны с усилителем на низкокачественных компонентах, следует ориентироваться на известных проверенных изготовителей и воздерживаться от покупки самых дешевых моделей.
Усиление каждой антенны образуется из собственного (пассивного) и активного, полученное с помощью усилителя. Если собственное усиление антенны мало (причиной могут быть простая конструкция или некачественная сборка), то наличие в комплекте мощного усилителя делу не поможет – да, сигнал на выходе будет сильный, но зашумленный. Поэтому не стоит гнаться за максимальными величинами коэффициента усиления – конструкция и размещение антенны имеют не меньшую важность. Кроме того, производители часто идут на хитрости и даже на прямой обман, указывая на упаковке коэффициент усиления не соответствующий действительности.
Обе эти антенны имеют заявленную мощность усиления 35 дБ
Не стоит рассчитывать, что дешевая антенна с заявленным усилением 35 дБ даст тот же эффект, что и дорогостоящая наружная антенна сложной конструкции, с коэффициентом усиления те же 35 дБ.
Так же следует иметь в виду, что зоне уверенного приема сигнала чрезмерное усиление может навредить. Поэтому, если вы приобретаете антенну с усилением выше среднего (от 10-15 дБ), выбирайте модели с регулировкой коэффициента усиления. Иначе, в случае переусиления сигнала, телевизор может вообще отказаться что-либо показывать.
Прием сигнала антенной может производиться как на любой частоте вещания, так и только в одном-двух диапазонах.
Прием в FM-диапазоне применительно к антенне означает, что она может быть использована для приема и прослушивания через телевизор радиостанций, работающих в этом диапазоне (88-108 Мгц).
«Не верь глазам своим»
Отдельно следует отметить так называемую «поддержку DVB-T2». Применительно к антенне эта фраза особого смысла не имеет – если антенна работает в диапазоне UHF, то принимать цифровой сигнал DVB-T2 она будет. Если же антенна в этом диапазоне не работает, то поддержки DVB-T2 не будет, что бы ни было написано на коробке. И уж совершенно точно антенна «с поддержкой DVB-T2» не способна обеспечить воспроизведение цифрового телевидения на старом телевизоре, не имеющем тюнера DVB-T2. Если ваш телевизор не обеспечивает прием цифрового телевидения, кроме антенны вам потребуется приставка для цифрового телевидения.
Варианты выбора.
Если ваш телевизор расположен в непосредственной близости от телевышки, и вы уверены в мощности имеющегося ТВ-сигнала, выбирайте простую пассивную комнатную антенну по цене от 240 до 1150 рублей.
Если уровень ТВ-сигнала в месте расположение телевизора невысок, но у вас нет возможности установить наружную антенну, выбирайте комнатную антенну с усилителем. Такая будет стоить 300-3000 рублей, но не стоит выбирать модели из нижнего ценового диапазона – низкокачественный усилитель может навредить больше, чем его отсутствие.
Если вы собираетесь подключить к антенне несколько телевизоров или длина антенного кабеля получается слишком большой, вам потребуется антенна с активным усилителем. Они стоят 400-3000 рублей, но покупать самые дешевые опять же не стоит. Кроме того, нелишне будет обратить внимание на конструкцию антенны – хорошо, если собственное усиление антенны будет достаточно большим.
Если ваш телевизор расположен на большом удалении от ближайшей вышки или в неблагоприятном для приема ТВ-сигнала месте, вам потребуется наружная антенна. Такие можно приобрести по цене от 670 до 2300 рублей.