Типы антенн WiFi: Полное руководство

В современном и быстро меняющемся мире все развивается, и системы связи тоже эволюционируют. На ранних этапах мы полагались на проводные схемы связи, но благодаря развитию технологий мы перешли на беспроводную связь. Сегодня WiFi повсюду, а антенны WiFi - одна из неотъемлемых частей нашей повседневной жизни. Они почти как молчаливый компаньон для нас, гарантирующий, что мы останемся на связи, куда бы мы ни пошли.

Беспроводные коммуникации зависят от радиочастотной энергии, которая передается и принимается через антенны WiFi. Таким образом, качество антенн WiFi напрямую влияет на зону покрытия и производительность ваших сетей. Поэтому понимание основ поможет вам выбрать правильную антенну в следующий раз, когда она вам понадобится.

Теперь давайте подробнее рассмотрим, что же на самом деле представляют собой антенны Wifi. Антенна - это устройство, которое излучает радиоволны, когда получает электрическую энергию, а также может преобразовывать радиоволны обратно в электрическую энергию. В контексте WiFi антенны являются важнейшими компонентами, они помогают передавать и принимать радиочастотные сигналы, позволяя устройствам подключаться к Интернету. Они также могут выступать в роли как передатчиков, так и приемников, обеспечивая бесперебойное соединение между устройствами.

Антенны WiFi незаменимы в нашем беспроводном мире. Наши повседневные устройства, такие как смартфоны, компьютеры и ноутбуки, полагаются на антенны для передачи и приема данных. В домах и офисах антенны WiFi обеспечивают бесперебойное подключение к Интернету для повседневной деятельности, такой как потоковое видео, просмотр веб-страниц и игры. Они также позволяют использовать общественные точки доступа WiFi в таких местах, как кафе, рестораны и аэропорты. WiFi антенны также играют важную роль в мире IoT (Интернет вещей). Кроме того, эти WiFi антенны являются ключевыми в услугах беспроводного Интернета дальнего радиуса действия. WiFi антенны способствуют росту популярности беспроводных аудиосистем, позволяя устройствам общаться без необходимости физического подключения.

Разобравшись с тем, что такое WiFi антенны и какова их важность, давайте рассмотрим ключевые факторы, которые позволяют этим антеннам эффективно работать в различных ситуациях.

Понимание параметров антенны WiFi

WiFi антенны определяются несколькими важными параметрами, которые определяют их производительность и пригодность для решения различных задач. Давайте разделим их, чтобы было проще понять.

Усиление

Коэффициент усиления антенны - это мера ее способности фокусировать энергию в определенном направлении по сравнению с теоретической эталонной антенной, называемой изотропным излучателем. Изотропная антенна - это устройство, которое излучает энергию одинаково во всех направлениях, имеет коэффициент усиления 0 dBi (децибел по отношению к изотропной).

Коэффициент усиления антенны измеряется в dBi и представляет собой эффективность антенны в направлении электромагнитных волн. Более высокий коэффициент усиления означает, что антенна может достигать больших расстояний и обеспечивать более мощный сигнал. Однако более высокий dBi не всегда означает лучшее. При увеличении dBi антенна может посылать сигналы на большие расстояния, но при этом она будет покрывать меньшую площадь. Представьте себе это как луч фонарика: более высокий коэффициент усиления означает более сфокусированный сигнал, что может привести к меньшему покрытию в других направлениях.

Диаграмма направленности излучения

Излучение - это термин, используемый для обозначения излучения волнового фронта на антенне с указанием его силы. Диаграмма направленности излучения антенны показывает, как антенна передает радиочастотную энергию в различных направлениях. Эта диаграмма важна как для связи, так и для проектирования эффективных систем. Обычно она отображается в полярной или картезианской системах координат. Эти диаграммы помогают понять, может ли антенна фокусировать энергию в определенном направлении или равномерно распределять ее. Например, диаграмма направленности излучения всенаправленного WiFi-роутера напоминает форму пончика, поскольку он излучает радиоволны с одинаковой силой во всех горизонтальных направлениях. Всенаправленная антенна предназначена для равномерного распространения сигналов во всех направлениях вокруг нее.

Диапазон частот

Мы знаем, что устройства WiFi общаются друг с другом с помощью радиоволн. Радиоволны характеризуются частотой - количеством циклов в секунду, измеряемых в герцах (Гц). В зависимости от используемой технологии, антенны WiFi используют несколько частот для передачи информации: 900 MHz, 2,4 GHz, 3,6 GHz, 4,9 GHz, 5 GHz и 60 GHz. Наиболее типичными частотами являются диапазоны 2,4 и 5 GHz, что соответствует длинам волн 12,5 см и 6 см {длина волны (м) = 3x 10⁸мс^-1/ частота (Гц)}.

Волны более низкой частоты имеют большую длину волны, что позволяет им легче проходить через такие препятствия, как стены и металлы, позволяя сигналам распространяться на большие расстояния. Каждая антенна WiFi построена таким образом, чтобы точно соответствовать частоте и длине волны передаваемого сигнала. Проще говоря, антенна 2,4 GHz не может заменить антенну 5 GHz и наоборот. Но некоторые антенны, например двухдиапазонные, способны использовать обе частоты.

Разъем

Когда мы говорим о разъемах для антенн WiFi, то обычно используется несколько стилей. Разъемы важны для подключения внешних антенн к устройствам WiFi, таким как точки доступа и маршрутизаторы. К распространенным типам относятся,

• RP-SMA (Reverse Polarity SMA): это широко используемый в потребительских устройствах разъем с обратной полярностью по сравнению с разъемами SMA. В разъемах RP-SMA наружная часть имеет внешнюю резьбу и центральное отверстие (внутренний контакт), а внутренняя часть имеет внутреннюю резьбу и центральный контакт (мужской контакт). SMA расшифровывается как Subminiature version A. Это тип коаксиального радиочастотного разъема.
• RP-TNC (TNC с обратной полярностью): Эти разъемы также имеют обратную полярность по сравнению с разъемами TNC. В этом случае центральный контакт - мужской. Разъемы RP-TNC используются в WiFi оборудовании корпоративного класса. TNC расшифровывается как Threaded Neil Concelman connector, это резьбовой ВЧ-разъем среднего размера.
• Разъем типа N: Это резьбовой ВЧ-разъем, используемый для соединения коаксиальных кабелей в ВЧ-приложениях. Благодаря резьбовому механизму соединения он более надежен и безопасен в условиях повышенной вибрации. Они широко используются на открытом воздухе и в промышленности благодаря своей прочности и возможности защиты от атмосферных воздействий.

Ширина луча

Ширина луча - это угловое расстояние между точками главного лепестка, в которых уровень сигнала падает на 3 дБ от максимального усиления. Она состоит из горизонтальной и вертикальной ширины луча, что соответствует горизонтальному и вертикальному углам диаграммы направленности излучения антенны. Более узкая ширина луча означает, что антенна фокусирует свою энергию в определенном направлении, что приводит к увеличению дальности действия и повышению устойчивости к помехам.

Теперь, когда мы рассмотрели основные параметры WiFi антенн, давайте рассмотрим различные типы WiFi антенн и их конкретные применения.

Типы антенн WiFi

Существует два основных типа антенн, используемых в нашей повседневной жизни. Одна из них - всенаправленная, а другая - направленная. Давайте подробно рассмотрим каждый из них.

Всенаправленный

Всенаправленные антенны WiFi предназначены для излучения сигналов в 360-градусной диаграмме, обеспечивая хорошее покрытие во всех направлениях, подобно тому, как лампа накаливания освещает комнату. Они также могут собирать сигналы со всех направлений. Однако их радиус действия может быть меньше, чем у направленных антенн. Всенаправленные антенны сильно различаются по размеру и форме. Это могут быть очень маленькие антенны-чипы, которые монтируются непосредственно на печатную плату и измеряются в миллиметрах. Они обычно используются в помещениях и на улице.

Теперь давайте подробно рассмотрим различные типы всенаправленных антенн, включая стекловолоконные, дипольные, потолочные, магнитные и патч-антенны.

Антенны из стекловолокна: Это самый популярный вид антенн, изготовленных из стекловолокна. Они представляют собой стекловолоконные столбы, обмотанные медным вибратором и покрытые защитным материалом. Оболочка антенны представляет собой армированный стекловолокном пластик, а антенная катушка для стекловолоконной антенны обычно располагается в верхней части антенны.

Антенна из стекловолокна использует технологию высокотемпературного и высоконапорного прессования пленки. Она характеризуется отсутствием деформации, водонепроницаемостью, ветрозащитой, теплостойкостью и прочной герметизацией. Эти антенны широко используются в таких областях, как электроэнергетика, железнодорожный транспорт, океанское и морское применение, энергетика, транспорт, инфраструктура, электромобили, строительные технологии и многие другие.

Эти антенны известны своей прочностью и долгим сроком службы, часто превышающим 15 лет. Поскольку они изготовлены из неметаллических композитных материалов, они более устойчивы к коррозии от кислот, щелочей и солей. Конструкция, включающая множество вертикальных и кольцевых ребер, позволяет этим антеннам противостоять суровым погодным условиям. Кроме того, алюминиевая сетка в отражающей поверхности улучшает отражение волн и обеспечивает защиту от внешних факторов. Однако антенны из стекловолокна имеют и некоторые недостатки. Изменения в окружающей среде могут привести к искажениям. Поскольку эти антенны изготавливаются из стекловолокна, они могут быстрее стареть в условиях повышенной температуры. Некоторые материалы из стекловолокна содержат углерод, который может повлиять на проводимость и привести к сбоям в работе антенны.

Дипольная антенна: Дипольные антенны - это основной тип антенн, состоящий из двух проводящих элементов и фидерной линии. При протекании тока через фидлайн антенна излучает электромагнитную энергию на определенной частоте. Такие антенны обычно имеют большую полосу пропускания, что позволяет им поддерживать многочастотную связь.

Они обладают следующими преимуществами,

• Простая конструкция, позволяющая контролировать расходы.
• Широкий спектр применения, включая маршрутизаторы и мобильные устройства.
• Поскольку они обладают сильной направленностью, то помогают контролировать направление передачи и приема сигнала.
• Сбалансированный прием сигнала.
• Выпускается в различных формах, таких как основной, складной и полуволновой диполь.

Мы рассказали о преимуществах дипольных антенн, теперь давайте проверим их недостатки.

• Чтобы найти наилучшую точку приема, нужно попробовать различные комбинации расположения столбов.
• Трудно управлять на открытом воздухе, когда размер увеличивается.

Если посмотреть на область применения, то они используются в антеннах WiFi 6/6E/7, антеннах сотовой связи 4G/ 5G LTE, промышленных научных и медицинских антеннах, а также антеннах GNSS и GPS.

Потолочное крепление Антенна: Это устройство, устанавливаемое на потолке для оптимизации беспроводного сигнала. Они обеспечивают 360-градусное покрытие и повышают силу и надежность сигналов WiFi. Использование омни-потолочных антенн помогает устранить мертвые зоны и улучшить качество сигнала. Обеспечивая постоянное подключение, они гарантируют, что пользователи всегда будут на связи с Интернетом.

Давайте рассмотрим преимущества антенн для потолочного крепления,

• Они располагаются на большей высоте, что позволяет им обеспечивать лучшее покрытие сигнала по сравнению с другими типами.
• Они более привлекательны визуально.
• Поскольку они располагаются под потолком, то часто находятся вдали от потенциальных источников помех.
• Легко устанавливается.

Давайте рассмотрим недостатки потолочных антенн.

• Они могут иметь ограниченный радиус действия по сравнению с другими антеннами.
• После установки потолочной антенны ее очень сложно настроить.
• Еще одно заметное ограничение - стоимость антенны несколько выше, чем у других типов.

Антенна с магнитным креплением: Как следует из названия, он может прочно удерживать антенну с помощью сильных магнитов. Это делает их пригодными как для стационарных, так и для мобильных установок. Кроме того, эти магнитные антенны подходят для транспортных средств, электронных корпусов и некоторых временных систем связи.

Они обладают следующими преимуществами,

• Они широко используются в тех областях, где мобильность и гибкость играют ключевую роль.
• Эти крепления обеспечивают надежное и легкосъемное позиционирование, что делает их идеальными для транспортных средств и временных установок.
• Например, GPS-антенны на автомобилях, CB-радиостанции, автомобили аварийных служб используют эти антенны.

Вот некоторые распространенные ограничения,

• Низкое качество сигнала из-за недостаточного контакта с поверхностью.
• Высокие показатели VSWR.

Но при тщательной настройке и правильной технике можно добиться отличного исполнения.

Далее рассмотрим направленные антенны, которые фокусируют сигналы в определенных направлениях для обеспечения более дальнобойной связи.

Направленные антенны

Направленная антенна - это особый тип антенны, которая работает за счет фокусировки сигнала в определенном направлении. Здесь мощность антенны больше сфокусирована в определенном направлении, поэтому способна отправлять и принимать сигналы на гораздо более дальние расстояния. В отличие от всенаправленных антенн, направленные антенны имеют небольшую зону покрытия.

Теперь давайте подробно рассмотрим различные типы направленных антенн, включая панельные антенны, антенны Yagi, секторные антенны, параболические антенные решетки/диски.

Панельная антенна: Панельная антенна - это тип направленной антенны, которая состоит из диполя, размещенного перед плоским рефлектором. Как правило, они имеют прямоугольную форму и плоскую поверхность, предназначенную для обеспечения сфокусированного луча радиоволн в определенном направлении. Такая узкая ширина луча помогает минимизировать помехи от других сигналов. Прямоугольная форма помогает увеличить коэффициент усиления. Они используются в системах связи "точка-точка". Их часто используют в беспроводных транзитных каналах, которые соединяют два или более сетевых узла. Кроме того, они также используются в системах "точка-многоточка". Например, они используются в беспроводных точках доступа, которые обеспечивают подключение к Интернету нескольких устройств в определенной зоне.

Если мы рассмотрим преимущества панельных антенн,

• Универсальны для стационарного и мобильного применения.
• Низкий профиль, обтекаемый дизайн.
• Более широкая полоса пропускания.
• Работает на сверхвысоких частотах.

Но у них есть и недостатки,

• Ограниченный ассортимент.
• Более низкий коэффициент усиления по сравнению с другими направленными антеннами.
• Сложность проектирования и обслуживания являются основными недостатками панельных антенн.

Антенна Yagi: Это направленная антенна, известная своим сфокусированным сигналом и высоким коэффициентом усиления. Она состоит из центрального дипольного элемента, который выступает в качестве основного источника, и нескольких паразитных элементов, расположенных по его длине. Эти паразитные элементы излучают сигналы немного не в фазе с основным элементом, что помогает усилить сигнал в одном направлении. Это делает антенны Yagi идеальными для различных применений, таких как прием радио- и телесигналов, прием сигналов на большие расстояния и беспроводная связь.

Если рассмотреть преимущества антенн типа "яги",

• Они обладают высокой направленностью.
• Легко построить
• Экономичность.
• Они обеспечивают сильное усиление сигнала.

Однако у них есть и недостатки,

• Они имеют ограниченную полосу пропускания и частотный диапазон.
• Модели с большим коэффициентом усиления могут быть довольно длинными.

Секторная антенна: Секторная антенна - это направленная антенна, которая обеспечивает сфокусированное покрытие в определенной области. Ее конструкция включает в себя несколько антенных элементов, расположенных в определенном порядке. Это позволяет создать широкую горизонтальную и узкую вертикальную диаграмму направленности. Такая диаграмма очень необходима для минимизации помех и улучшения качества сигнала.

Если мы посмотрим на их преимущества,

• Главное преимущество - направленное покрытие.
• Они также отличаются высокой масштабируемостью.
• Еще одно преимущество секторных антенн - экономичность и простота установки.

Однако недостатком использования секторных антенн является то, что требуется больше беспроводных интерфейсов, и это может стать проблемой помех.

Для соединения "точка-точка" необходима антенна, которая направляет всю радиочастотную энергию (РЧ) в одну сторону. Ограничивающим фактором для этой антенны является, главным образом, ее размер. Антенны с высоким коэффициентом усиления снижают вероятность помех для других узлов или для других антенн того же узла, но зачастую имеют довольно большие размеры.

Параболическая решетка/тарельчатые антенны: Параболическая антенна - это высокоточное устройство, которое использует параболический рефлектор для фокусировки радиоволн на определенной точке. Такая структура позволяет принимать и отправлять сигналы с высокой эффективностью. Когда радиоволны попадают на диск, они отражаются в сторону фокусной точки. Форма диска разработана таким образом. Параболические антенны широко используются в спутниковых антеннах, системах беспроводной связи и радарах.  

Когда мы говорим о преимуществах,

• Благодаря способности фокусировать электромагнитную энергию в узкий пучок они могут достигать высокого коэффициента усиления, что делает их идеальными для дальней связи.
• Они имеют высоконаправленный луч, что сводит к минимуму помехи от нежелательных источников.
• Кроме того, благодаря принципу взаимности она может использоваться как в качестве передающей, так и в качестве принимающей антенны.

Однако у них есть и несколько минусов,

• Их производство и покупка могут быть дорогостоящими.
• У них ограниченная зона покрытия.
• Параболические антенны должны быть точно выровнены и направлены на нужный источник.

Патч-антенна: Это популярный выбор для применения в RFID-считывателях. Назван так из-за своей патч-конструкции. Она состоит из металлического патча, подвешенного над плоскостью земли, с такими ключевыми компонентами, как излучающий патч, диэлектрическая подложка, плоскость земли и механизм питания.

Давайте рассмотрим преимущества патч-антенн.

• Они имеют компактные размеры.
• низкопрофильный.
• Эффективно с точки зрения затрат.

 Однако у них есть и некоторые ограничения.

• Они имеют более низкий КПД из-за потерь в диэлектрике и проводниках. Это снижает коэффициент усиления антенны.
• Кроме того, они имеют ограниченные возможности по обработке мощности. Это делает их менее идеальными для применения на высоких мощностях.

До сих пор мы изучали некие основы WiFi антенн, их ключевые параметры и типы. Давайте перейдем к сравнению внешних и внутренних WiFi антенн.

Внешние и внутренние антенны WiFi

WiFi антенны бывают двух основных конфигураций: внутренние и внешние, каждая из которых имеет свои преимущества и сценарии использования. Сначала рассмотрим внутренние WiFi антенны. Эти WiFi антенны встраиваются в такие устройства, как роутеры, ноутбуки и мобильные телефоны. Внутренние WiFi антенны нельзя прикрепить или отсоединить от устройства, так как они встроены в корпус устройства. Такие антенны предназначены для экономии места и поддержания хорошего внешнего вида устройства. Хотя они могут быть менее мощными, чем некоторые внешние антенны, технологический прогресс позволяет этим антеннам обеспечивать хорошую производительность. Внутренние антенны WiFi обычно используются в смарт-телевизорах, устройствах IoT и некоторых видах бытовой электроники. Одно из ограничений этих антенн заключается в том, что на них может влиять корпус. Существует несколько типов внутренних антенн WiFi, каждый из которых предназначен для выполнения различных задач. Антенны на печатной плате (PCB) встраиваются непосредственно в устройство, что является экономически эффективным и компактным решением для IoT-устройств и мобильных телефонов. Разностные антенны используют несколько антенн, которые помогают уменьшить помехи сигнала в некоторых сложных условиях. Как мы уже видели, дипольные антенны, используемые внутри, обеспечивают сбалансированное всенаправленное покрытие.

С другой стороны, внешние антенны WiFi - это устройства, предназначенные для увеличения силы сигнала и дальности действия сети WiFi, которые могут быть установлены вне устройства. Внешние антенны можно добавлять или заменять для улучшения связи. Давайте рассмотрим некоторые ключевые особенности и преимущества внешних антенн WiFi. Они способны расширить зону покрытия сети WiFi. Эти антенны помогают уменьшить количество мертвых зон. Внешние антенны также бывают разных типов, включая направленные и всенаправленные. Многие внешние антенны можно регулировать и поворачивать. Они используются в различных устройствах, включая маршрутизаторы, точки доступа и адаптеры WiFi. Их можно крепить на стены, потолки и столы. В целом внешние WiFi антенны - это практичное решение для улучшения беспроводного соединения.

Как внутренние, так и внешние антенны WiFi имеют свои плюсы и минусы и служат для разных целей. Понимание разницы между ними поможет вам выбрать лучший вариант для хорошего соединения. Теперь давайте рассмотрим многополяризованные антенны MIMO WiFi.

Многополяризованная MIMO WiFi антенна

Прежде чем рассматривать антенны MIMO, давайте посмотрим на поляризацию. Представьте, что радиоволна движется в воздухе, как рябь на воде. Если эта рябь движется вверх и вниз, мы называем это вертикальной поляризацией, если же она движется из стороны в сторону, мы можем назвать это горизонтальной поляризацией. Чтобы антенны эффективно принимали сигналы, их поляризация должна совпадать с сигналом. Именно в этом случае полезны антенны с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO). Они используют несколько антенн для одновременного прохождения нескольких путей сигнала. С помощью нескольких передатчиков и приемников антенны MIMO позволяют устройствам более эффективно отправлять и получать данные. Если мы говорим об антеннах MIMO, мы также должны вспомнить об антеннах SISO (с одним входом и одним выходом). Антенны SISO имеют только один передатчик и приемник. Они могут принимать и отправлять данные только по одному разу. Это может ограничить скорость и надежность. Если вы хотите получить максимальную скорость передачи данных, лучшим выбором всегда будут антенны MIMO WiFi.

Заключение

В заключение следует сказать, что если вы хотите оптимизировать производительность своей сети, то вам необходимо правильно выбрать WiFi антенну для нее. Различные типы антенн служат разным целям. Внутренние антенны хороши для повседневного использования в небольших устройствах, а внешние антенны обеспечивают наилучшее покрытие и гибкость для больших пространств. Если вам нужно более быстрое и надежное соединение, лучшим выбором станут антенны MIMO. Выбрав правильную WiFi антенну для вашей WiFi сети и для ваших потребностей, вы сможете улучшить покрытие WiFi сигнала, уменьшить внешние помехи и наслаждаться более плавным и стабильным соединением.