Беспроводная среда передачи

В отличие от проводных сетей, где сигналы передаются по твердым проводникам, например, медным витым парам или оптическим волокнам, в беспроводных сетях физической средой передачи является атмосфера и открытый космос. В кабельных средах передача всегда направленная, а беспроводные физические среды не могут направлять сигналы в определенном направлении. Для построения беспроводной линии связи каждый узел оснащается антенной. Антенну можно определить как проводник (или систему проводников), используемый для излучения и улавливания электромагнитных волн из пространства. Для передачи сигнала радиочастотные электрические импульсы передатчика с помощью антенны преобразуются в электромагнитную энергию, которая излучается в окружающее пространство (атмосферу, космос, воду). При получении сигнала энергия электромагнитных волн, поступающих на антенну, преобразуется в радиочастотные электрические импульсы, после чего попадает на приемник. Как правило, при двухсторонней связи одна и та же антенна может быть использована как для приема, так и для передачи сигнала. Это связано с тем, что характеристики антенны одинаковы для процесса получения и передачи электромагнитной энергии.

Электромагнитные волны — это распространяющееся в пространстве возмущение (изменение) электромагнитного поля.

Рис. 3. 65 Беспроводная линия связи
Рис. 3. 65 Беспроводная линия связи

Направление распространения волн зависит от типа используемой антенны. Антенны в общем случае можно классифицировать как всенаправленные (omni-directional) и направленные (directional). При направленной передаче передающая антенна излучает сфокусированный электромагнитный луч, поэтому передающая и приемная антенны должны быть тщательно нацелены. При ненаправленной передаче (с использованием всенаправленной антенны) передаваемый сигнал распространяется во всех направлениях и может быть принят множеством антенн.

Коэффициент усиления (antenna gain) является мерой направленности антенны. Он определяется как отношение мощности сигнала Р1, излученного в определенном направлении, к мощности сигнала P2, излучаемого идеальной (изотропной) антенной в любом направлении.

G = P1/P2

Из этой формулы следует, что коэффициент усиления антенны — безразмерная величина. На практике его выражают несколько иначе — через логарифмическое отношение мощностей, напряжений или токов в децибелах (dB):

G = 10lg P1/P2

В технических описаниях антенн единицы измерения коэффициента усиления антенн выражаются в изотропных децибелах — dBi, т.е в тех же децибелах, но с третьей буквой «i», обозначающей слово «isotropic» (изотропный). Это связано с тем, что излучение антенны в определенном направлении сравнивается с изотропной антенной.

Изотропная антенна – это идеальная (теоретическая) антенна, излучающая электромагнитную энергию одинаковой интенсивности во все направления. Изотропную антенну можно сравнить с Солнцем.

Рис. 3. 66 Изотропная антенна
Рис. 3. 66 Изотропная антенна

Часто термин «коэффициент усиления» приводит к ошибочному предположению, что антенны способны усиливать сигнал. На самом деле это не так. Антенны представляют собой пассивные устройства, и брать энергию для усиления передаваемого сигнала им неоткуда. Коэффициент усиления антенны показывает фокусировку мощности в определенном направлении, а не усиление ее. Увеличение мощности сигнала в одном направлении происходит за счет остальных направлений распространения. Другими словами, увеличение мощности в одном направлении влечет за собой уменьшение мощности в других направлениях.

Для того чтобы лучше понять принцип фокусировки энергии в разных направлениях, представьте изотропную антенну, показанную на рисунке 3.66 в виде резинового мяча. Представьте, что на мяч сильно надавили сверху (в вертикальном направлении). Мяч немного растянулся, но сохранил форму круга в горизонтальной плоскости, а в вертикальной плоскости сжался под действием силы. Этот пример можно использовать для описания принципа действия всенаправленной антенны, которая в горизонтальной плоскости фокусирует большее количество энергии за счет уменьшения энергии в вертикальной плоскости.

Если сильно сжать мяч с одного из концов, то его форма приобретет конусообразный вид. Этот пример описывает принцип излучения направленной антенны.

Графическим представлением зависимости коэффициента усиления от направления антенны в заданной плоскости является диаграмма направленности.

Как правило, диаграммы направленности антенн представляются как два двухмерных поперечных сечения трехмерной диаграммы: горизонтальное и вертикальное сечения. В этом случае диаграмма направленности представляет собой замкнутую линию в полярной системе координат, построенную таким образом, чтобы расстояние от антенны (центр диаграммы) до любой точки диаграммы направленности было бы прямо пропорционально энергии, излучаемой антенной в данном направлении.

Направление максимального излучения называется главным лепестком антенны. Остальные лепестки диаграммы направленности антенны являются побочными, а лепесток излучения в сторону, обратную главному направлению, называется задним лепестком диаграммы направленности антенны.

Рис. 3.67 Диаграммы направленности направленной антенны в горизонтальной и вертикальной плоскости
Рис. 3.67 Диаграммы направленности направленной антенны в горизонтальной и вертикальной плоскости

Диаграмма направленности является удобным средством определения такой меры направленности антенны, как ширина луча. Ширина луча – это угол, в пределах которого излучаемая мощность составляет не менее половины мощности, которая излучается в преимущественном направлении. Другими словами, ширина луча представляет собой угловое расстояние между точками половинной мощности на диаграмме направленности антенны любой плоскости, горизонтальной или вертикальной (точки на уровне 3 дБ). Измеряется ширина луча в градусах.

Рис. 3.68 Ширина луча антенны
Рис. 3.68 Ширина луча антенны

В характеристиках антенн производители обычно указывают ширину луча в горизонтальной и вертикальной плоскости. Например, диаграмма направленности антенны в горизонтальной/вертикальной плоскости 80°/68° говорит о том, что антенна является направленной. Сигнал, передаваемой этой антенной, распространяется в горизонтальном направлении в зоне, определенной углом 80°, в вертикальном направлении — в зоне, определенной углом 68°. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной/вертикальной плоскости 360°/32° говорит о том, что антенна является всенаправленной. В горизонтальной плоскости зона излучения охватывает угол в 360°, в вертикальной — 32°.

Еще одной важной характеристикой антенны является ее поляризация. Поляризация – это физическая ориентация элемента антенны, который непосредственно излучает энергию в радиочастотном диапазоне. Существуют антенны с вертикальной, горизонтальной и круговой (с правым и левым вращением) поляризациями (рисунок 3. 69).

Рис. 3.69 Вертикальная (а) и горизонтальная (б) поляризации
Рис. 3.69 Вертикальная (а) и горизонтальная (б) поляризации

В плоской электромагнитной волне векторы вертикального электрического E и магнитного H полей в каждый момент времени ориентированы в пространстве определенным образом. Поляризация электромагнитной волны является ее пространственно-временной характеристикой и определяется видом траектории, описываемой концом вектора электрического поля в фиксированной точке пространства. На антеннах с поляризацией имеется указатель, который и определяет необходимую поляризацию.

При круговой или циклической поляризации электромагнитное поле вращается вокруг оси t с определенным циклом, или шагом, так, что в разных точках пространства принимает или вертикальную или горизонтальную поляризацию. Такой вид поляризации сравнительно редко применяется.

Учет поляризации позволяет получить дополнительные энергетические преимущества при решении задач электромагнитной совместимости, планировании зон обслуживания и т. д. При заполнении определенного пространства точками доступа до предельного уровня, после которого взаимные радиопомехи начинают мешать нормальной работе сетей, достаточно изменить поляризацию антенн, после чего можно продолжать расширять беспроводную сеть.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

четыре × четыре =