Интернет в гараж. Антенна Wi-Fi для передачи данных на > 0,5км.

Задача: организовать локальную сеть на расстояние прямой видимости 510 метров посредством разрешённых устройств, с применением направленных антенн. Организация интернет доступа на скорости не менее 1Mbit в обе стороны.

Изначально рассматривались варианты антенн от простого к сложному,  таких как: баночная, биквадрат, helix, волновой канал bester и антенна типа patch.

 

Совсем немного теории.

 

  • Wireless Fidelity (Wi-Fi)  - дословно Беспроводная Точность.
  • Стандарт связи IEEE 802.11. На частоте 2,4Ггц (b,g,n  11,54,150 Mbit/s).
  • Частотный диапазон 2400—2483,5 МГц стандарты 802.11b и 802.11g; каналы 1—13  и 5150-5350 МГц  802.11a и 802.11n; каналы 34-64
     

Так как диапазон в котором придётся работать имеет длину волны λ= C/f.   Где  C - скорость света в м/сек = 300 000 000  , f - частота.  λ = 12,5 см.  то дифракция  хуже. Связанно это с тем, что чем выше частота, тем короче длинна волны и тем хуже дифракция. Дифракция - способность радиоволн огибать препятствия не превышающих половину длинны волны. За горизонт,  дальше распространяются  более длинные волны. Часть энергии просто отразится от препятствий, а часть рассеется. Лесной массив, стены из дерева и бетона, стекло и прочие предметы будут ослаблять неизбежно сигнал. 

Ослабление сигнала при прохождении различных сред:

  • Стекло составит порядка  -  3 dB 
  • Стена из дерева  - 10 dB
  • Стена железобетонная - 20-25 dB
     

В каких единицах измеряется мощность передатчика и коэффициент усиления антенны? Измерять мощность и чувствительность приёмо-передатчиков можно в Ваттах, а можно в dB. 

dB Децибел выражает отношение двух значений энергетической величины десятичным логарифмом этого отношения.

dBm - мощность передатчика или чувствительность приёмника. К примеру мощность передатчика в dBm. За опрное значение  0 dBm  = 1=mW (мили Ватт).  20 dBm = 100 mW,  30 dBm = 1000 mW или 1 Ватт.

Антенна - преобразователь электрического тока в электромагнитную волну (передающаяя антенна Tx) и обратно преобразователь электромагнитной волны в электрический ток (приёмная антенна Rx). Антенна может быть приёмопередающей (Rx+Tx).
Диаграмма направленности антенны. Графическое представление зависимости коэффициента направленного действия антенны или коэффициента усиления антенны от направления антенны в заданной плоскости. Выражается в dBi
dBi (децибел изотропных) - Усиление антенн относительно эталонной (идеальной) антенны "изотропный излучатель". 


3D вид изотропного излучателя выглядит так.
 

   

Диаграмма направленности антенны направленного типа выглядит так. На диаграмме видно, что dBi антенны в направлении 0 составляет 10 dbi относительно изотропного излучателя (красная линия)

Иными словами, задача направленной антенны собрать как можно больше энергии в луч и передать/принять в заданном направлении.  В роутерах можно наблюдать штыревые антенны, у которых диаграмма направленности похожа на изотропный излучатель, так как задача обеспечивать сигналом в радиусе. Направленные же антенны требуются в случае приёма/передачи между двумя точками. Таким образом, имея пару приёмопередатчиков мы можем установить между ними связь на дистанции гораздо большей применив пару направленных антенн. С помощью направленных антенн  соберём энергию в луч и отправим в нужном нам направлении, при этом не растрачивая энергию в пустую  туда,  где она нам не требуется. 

 

 

Реализация.

Вариант №1, №2

  

Вариант "Баночной"  и "Биквадрата" оказались бесполезными на данной дистанции. Но в пределах помещения вполне могут поправить ситуацию.

 

 

 

Вариант №3  - Волновой канал на болтовом резьбовом соединении.

Антенна как только не обзывается. По одной информации - предложил вроде как И. Панченко на lan23.ru. В других источниках  называется "wi-fi пушкой". В третьих - волновой канал "bester" или patch-yagi. Судя по литературе - волновой канал.

Интересная картинка лунохода от 1973 года представлена ниже. На борту очень похожая конструкция, а интернета тогда ещё не было. Это упомянуто на сайте откуда взяты чертежи и расчёт.

Самоходный лунный аппарат "Луна-21" 1973 год. Запчасть номер 3 "Остронаправленная антенна"

* чертёжи и расчёты антенн взяты с сайта

  
Расчёт антенны

Центральная частота f:  2445  МГц

Длина волны λ:  123  мм
-------------------------------------------------------------
Диаметр рефлектора: R=90  мм
Диаметр активного диска: V=68  мм
Диаметр 1-го директора: D1=54  мм
Диаметр 2-го директора: D2=38  мм
Диаметр 3-го директора: D3=37  мм
Диаметр 4-го директора: D4=37  мм
Диаметр 5-го директора: D5=37  мм
-------------------------------------------------------------
Расстояние рефлектор - активный элемент: h0=11 мм
Расстояние активный элемент - 1-ый директор: h1=12 мм
Расстояние 1-ый директор - 2-ой директор: h2=32 мм
Расстояние 2-ой директор - 3-ий директор: h3=28 мм
Расстояние 3-ий директор - 4-ый директор: h4=28 мм
Расстояние 4-ый директор - 5-ый директор: h5=28 мм
-------------------------------------------------------------
Расстояние s (от края активного диска до точки подключения):  s=10 мм

  

Антенна собрана на болтовом резьбовом соединении, отсутствует разъём подключения фидера. В качестве материала для директоров и рефлектора был взят алюминий 1мм. Пайка алюминия энтузиазма не вызывает. Сам алюминий легко деформируется и нарушается конструкция.

  

Тестирование. Соединение было установлено, но судя по показателям это не  то, что ожидалось.

  

Не смотря на то, что соединение есть и потери составили 6%-7% скорость передачи данных была очень низкой. Условия затруднялись зашумлённым эфиром и отсутствием прямой видимости. Прямую видимость ограничивает лесной массив. Препятствия превышают половину  длинны волны. И тут необходимо учесть эффект зоны Френеля. Между приёмником и передатчиком существует зона эллиптической формы называемая зоной Френеля,  если в этой зоне встречаются препятствия то сигнал затухает, в зависимости от того в каком % соотношении зона перекрыта препятствием. До 20% перекрытия зоны оказывает не значительное влияние, выше 20% уже заметно ослабляет сигнал.

На дистанции 510м. и 10 канале (2457 MHz)  радиус зоны - 4 метра. На изображении местности видно, что зона Френеля перекрыта не менее чем на 50%. Плохо.

 

По заявленным характеристикам КУ антенны - 11,5 dBi , в диапазоне от 2,18 - 2,56 Ггц  КСВ<2 (КСВ - Коэффициент стоячей волны)
 

КСВ (на буржуйском standing wave ratio, SWR)  - это коэффициент стоячей волны по напряжению, измеренный на входе антенны или кабеля, подключенного к приемной или передающей антенне. 

Смысл в том, что в теории вся энергия передатчика излучается антенной без потерь в антенно-фидерном тракте, но это в теории. На практике это зачастую не так и задача в том, чтобы согласовать волновое сопротивление трансивера, антенно-фидерного устройства и антенны. В конкретном случае антенно-фидерное устройство (кабель снижения) имеет волновое сопротивление 50 Ом и выход трансивера так же имеет 50 Ом. Это значит, что на заданных частотах антенна должна иметь так же 50 Ом. Если эти условия соблюдены, то КСВ будет < 2, а это хорошо. Опять же на практике фидер, трансивер и антенны не имеют точных 50 Ом и чем больше разброс, тем больше рассогласование, тем выше КСВ. 

Волновое сопротивление - это сопротивление, которое встре­чает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения

Фактически КСВ говорит нам о том, какое количество энергии ушло с выхода трансивера  и отразилось обратно в антенно-фидерном тракте. 


Отражённая волна.

 

 

Решено было повторить антенну более точно и взять другой чертёж.

 

 

 

Вариант №4 - промежуточный.

 

В данной антенне на 1 диск меньше.

Расчёт антенны.
 

Антенна пушка 6-и дисковая
-------------------------------------------------------------
Центральная частота f:  2445  МГц
Длина волны λ:  123  мм
-------------------------------------------------------------
Диаметр рефлектора: R=89.7  мм
Диаметр активного диска: V=66.2  мм
Диаметр 1-го директора: D1=48.6  мм
Диаметр 2-го директора: D2=35.2  мм
Диаметр 3-го директора: D3=35.2  мм
Диаметр 4-го директора: D4=35.2  мм
-------------------------------------------------------------
Расстояние рефлектор - активный элемент: h0=9.2 мм
Расстояние активный элемент - 1-ый директор: h1=8.4 мм
Расстояние 1-ый директор - 2-ой директор: h2=29.3 мм
Расстояние 2-ой директор - 3-ий директор: h3=29.3 мм
Расстояние 3-ий директор - 4-ый директор: h4=29.3 мм
-------------------------------------------------------------
Расстояние s (от края активного диска до точки подключения):  s=9.8 мм
 

  

В качестве материала была взят был текстолит односторонний и латунная трубка. Фидер SMA <->RP-SMA кабель 50 Ом. Вся конструкция собиралась пайкой. Есть одно но, на текстолите собирать данную антенну не стоило, просто потому, что фольга медная имеет 0,18 толщину. Расчёты  же производились на металл от 0,3 до 1мм. Надежда была на то, что сборка не на шпильке и резьбовом соединение, а с помощью пайки даст лучший результат. С текстолитом проще работать только и всего.

  

По итогу действительно антенна показала лучший результат по сравнению с предыдущим вариантом. Были обнаружены сети за 4,17км! Как это было выяснено? Достаточно просто - AP имела SSID в виде адреса, а адресом являлось место установки самой точки. Чтобы убедиться в действительности - по адресу был произведён анализ сети.
 При построении этого варианта антенны не обошлось без но... Загвоздка заключалась в том, что произошло рассогласование антенно-фидерного тракта. Почему? Да потому, что собрана антенна с отклонением от расчётов в материале - текстолит не подходит. Согласование антенно-фидерного тракта производилось тем, что разъем SMA в начале вкручивался до конца как следует, а после постепенно выкручивался из гнезда антенны, или USB-адаптера и ориентируясь на показания в программе достигалось оптимальное значение сигнала. Таким образом менялась ёмкость в месте не докрученного разъёма, а соответственно волновое сопротивление. Время изготовления антенны заняло один вечер. Собирать согласующее устройство не хотелось, да и без КСВ-метра на данный диапазон этого не сделать. Результат окончательно убедил в том, что собирать нужно посредством пайки и основательно - применять металл.

 

 

 

Вариант №5 - окончательный.
 

  

За основу был взят чертёж и расчёт антенны варианта №4, только выполнен был в металле и спаян. В качестве материала для директоров был взят корпус от компьютера и лист оцинковки для рефлектора. Оцинкованный лист толще. Осью антенны стал электрод 4ка.

  

Разъём  коаксиальный радиочастотный для частот от 1Ггц до 18Ггц типа n-коннектор установлен на болты, болты пропаяны и обрезаны. Видно, что под 45 градусов на активном директоре имеется винт который вкручивается в гайку припаянную к директору. Винт предназначен для подстройки волны круговой поляризации,  но антенна плоско поляризована, потому данная гайка на практике не использовалась в итоге она была закручена до упора. Уже в таком виде, антенна показывает результат.

  

Вся конструкция собрана на сварочном электроде диаметром 4мм. Пайка производилась при помощи кислоты и паяльника. Чтобы  у пайки не было острых углов припой распределялся равномерно, использовалась газовая горелка. После окончания пайки всё промывалось спиртом.

  

Далее произведена  окраска антенн для защиты от коррозии. Вторая антенна не имеет настроечного винта, заработала антенна сразу и отлично. Кабель снижения был применён RG58 с сопротивлением в 50 Ом.

  

В качестве трансиверов были применены всепогодные Wi-Fi точки доступа ubiquiti bullet 2. Блок питания был взят первый попавшийся который удовлетворял заявленным требования точки. PoE-инжектор был собран самостоятельно в течении 15 минут. К антенне той, что располагается на улице был собран кожух из сантехнических труб.

  

Кожух собирается без каких либо дополнительных средств, просто собирается из куска трубы, переходника и пары заглушек. К самой антенне была приварена гайка, с помощью этой гайки, антенна была прикручена к одной из заглушек болтом. В самой заглушке отверстие под фидер.

  

Замер скорости до корректировки направления антенн и после.

  

Окончательная установка антенны на мачту в защитном кожухе.

  

Скорость от 2Mbit/s до 10Mbit/s  , в основном 8Mbit/s входящая и 2Mbit/s исходящая. Скорость выше в ночное время суток и в будни. Судя по всему связанно это с зашумлённостью эфира. Особого влияние погоды на канал замечено не было. CCQ (Client Connect Quality) - 42,5% данный параметр отражает реальное качество к теоретической. Влияние на данный фактор оказывает направленность антенн друг на друга, зашумлённость эфира (Noise Floor -96% в норме допустимого) и зона Френеля (перекрыта ~50%).

График ниже показывает уровень сигнала обеих антенн за одну неделю (7 суток). Синим цветом показан график уровня сигнала антенны установленной на гараже. Красным цветом уровень антенны находящейся в многоэтажном доме.

Исходя из данных представленных на графике можно сделать следующий вывод: 
Уровень сигнала антенны в доме (красный цвет) имеет цикличность которая привязана к времени суток. Ночью сигнал значительно лучше чем днем. Сигнал начинает ухудшаться с раннего утра и до глубокого вечера. Предположительно связанно это с человеческой активностью, данная активность выражается в использовании электроприборов и прочих устройств которые могут оказывать влияние на эфир. Зелёным эллипсом обозначена зона, в которой уровни сигналов наиболее высоки и в этот период времени скорость максимальна.

На рынке имеются в продаже готовые антенны на различные диапазоны: CDMA, GSM, 3G, 4G, Wi-Fi. Сокращённое название BDM, выглядят вот так:

Источники:

http://www.lan23.ru
http://3g-aerial.biz
http://sxlab.info
http://lib.tssonline.ru/
http://wificenter.ru/