Современные информационные технологии /1.Компьютерная  инженерия

Мясіщев О.А., Римар О.П.

Хмельницький національний університет, Україна

Розрахунок антен для безпровідної технології передачі даних діапазона 2.4ГГц

Найпоширенішою безпровідною технологією для передачі даних в галузі комп’ютерних систем на сьогоднішній день є Wi-Fi.

Wi-Fi – це сучасна безпровідна технологія об’єднання комп’ютерів в локальну мережу і підключення їх до глобальної мережі Internet. Саме завдяки цій технології Internet стає мобільним і надає користувачам свободу пересування не тільки в межах певного приміщення, але і по всьому світі.

Під "Wi-Fi" (від англійського словосполучення "Wireless Fidelity", яке можна дослівно перевести як "висока точність безпровідної передачі даних") в наш час розвивається ціле сімейство стандартів передачі цифрових потоків даних по радіоканалам.

Для розуміння задачі розрахунку антен безпровідної технології передачі даних розглянемо основні апаратні складові даної технології на прикладі об’єднання двох комп’ютерів у локальну мережу. Структурна схема такого об’єднання показана на рис 1.

Рис1. Структурна схема об’єднання комп’ютерів у локальну мережу по технології Wi-Fi

Wi-Fi адаптери 1 і 2 виконують ту ж функцію, що і мережева карта в провідній мережі.

Найважливішими питаннями при побудові такої безпровідної мережі є забезпечення нормальної передачі даних на заданій швидкості і при заданій відстані.

Розглянемо вирішення такої задачі на прикладі.

Нехай маємо наступну задачу: використовуючи два адаптери DWL-G132 фірми D-link забезпечити передачу даних між двома ПК на швидкості 54Мбіт/с. Відстань між ПК – 1000 м

Для розраухнку скористаємось інженерною формулою розрахунку втрат у вільному просторі:

FSL=30+20*(lgF+lgD); де (1)

FSL – втрати у вільному просторі (дБ);

F – центральна частота канала, на якому працює система зв’язку (МГц);

D – відстань між двома точками, км.

З іншого боку, FSL визначається відповідно до сумарного підсилення системи:

FSL=Yдб – SOM; де (2)

Yдб – сумарне підсилення системи, дб;

SOM (System Operating Margin) – запас в енергетиці радіозв’язку, що враховує можливі фактори, що негативно впливають на дальність зв’язку (атмосферні явища та ін.). Зазвичай приймають рівним10дБ.

Yдб розраховується як сума слідуючих складових:

Yдб=Pt,дбМвт + Gt,дБі + Gr,дБі - Pmin,дбМвт - Lt,дБ - Lr,дБ ; (3)

де:

Pt, дБмВт, Pmin дБмВт, - потужність передавача і чутливість приймача на даній швидкості відповідно;

Gt,дБі , Gr,дБі – коефіціенти підсилення передаючої і приймаючої антен відповідно;

Lt,дБ - Lr,дБ - втрати сигналу в коаксильному кабелі і роз’ємах передаючого і приймаючого тракту відповідно.

Отже, задача розрахунку антен після застосування даних формул зводиться до знаходження необхідних коефіцієнтів Gt,дБі + Gr,дБі в рінянні (3) і розрахунку параметрів антен, які б забезпечували необхідні коефіцієнти підсилення антен. В даному прикладі припустимо що передаюча і приймальна антени однакові. Застосувавши формули (1),(2),(3) знайдемо необхідні значення цих коефіцієнтів.

Відповідно до (1),(2),(3) можна записати:

Pt,дбМвт + Gt,дБі + Gr,дБі - Pmin,дбМвт - Lt,дБ - Lr,дБ – SOM = 30+20*(lgF+lgD);

Оскільки ми припустили, що Gt,дБі = Gr,дБі то можна записати:

2Gt,дБі = 30+20*(lgF+lgD) - Pt,дбМвт + Pmin,дбМвт + Lt,дБ + Lr,дБ + SOM

Середня частота каналу для Wi-Fi становить 2437 МГц. Потужність заданого передавача адаптера, відповідно до паспортних даних, становить 16дбМвт. Чутливість приймача на заданій швидкості (54Мбіт/с) може бути знайдена відповідно до таблиці 1.

Таблиця 1.

Швидкість	Чутливість
54 Мбіт/с	-66 дБмВт
48 Мбіт/с	-71 дБмВт
36 Мбіт/с	-76 дБмВт
24 Мбіт/с	-80 дБмВт
18 Мбіт/с	-83 дБмВт
12 Мбіт/с	-85 дБмВт
9 Мбіт/с	-86 дБмВт
6 Мбіт/с	-87 дБмВт

Отже, на даній швидкості чутливість -66дБмВт. Затухання в коаксильному кабелі становлять приблизно 0,8 дб\м. Приймемо, що довжина кабелів між адаптерами і антенами рівна 1м. Крім того, додамо по 1,5дб затухання на роз’ємах, що з’єднують адаптери і антени з кабелем, для обох антен. Тоді маємо:

Lt,дБ = Lr,дБ = 1*0,8+1,5=2,3дб.

Знайдемо необхідний коефіцієнт підсилення для антен:

2Gt,дБі =30 + 20 (lg 2437 + lg 1) – 16 +(-66 )+ 2,3 + 2,3+10 = 30 + 20 (3,38+0)-77,4 + 2,3 + 2,3 + 10=30 + 67,6 – 62,8 = 34,8

Звідси коефіцієнт підсилення для шуканої антени має бути :

G = 34,8 / 2 = 17,4 дБі

Після цього, знайдемо фізичні розміри шуканої антени, які б забезпечували коефіцієнт підсилення не менше 17,4дБі

Одним із найпоширеніших типів антен, що використовують для передачі даних в безпровідних технологіях є рупорні антени. Серед преваг такого виду антен можна виділити:

- високий (практично рівний 1) коефіцієнт корисної дії;

- можливість забезпечення високого коефіцієнту напрямленної дії, і як наслідок – високого коефіцієнту підсилення;

- простота виготовлення таких антен.

Види рупорних антен представлені на рис 2.

Рис 2. Види рупорних антен

Існує 4 основних види рупорних антен: E-площинний (а); H-площинний (б); пірамідальний (в); конічний (г).

Розрахуємо Н – рупор, який би давав приблизно таке підсилення (17,4дБ).

Для початку розрахуємо хвильовід. Для довжини хвилі λ =12,45см (середній канал) розмір a хвильоводу повинен бути 9см [1]. Відношення між a та b, яке дозволяє мінімізувати впливи хвиль вищих порядків – 3:2 [1]. Тому b=6см. Довжина хвильоводу буде рівною половині довжини хвилі: 6,23. Саме такі розміри забезпечують найменший рівень виникнення хвиль вищих порядків, що значно знижують коефіцієнт підсилення. [1]

Хвильовід збуджується четверть хвильовим штирьовим вібратором (під’єднаним до кабеля від адаптера), що віддалений від задньої стінки хвильоводу на четверть довжини хвилі (3,1 см).

Для розрахунку рупору, для початку необхідно визначитися з підсиленням, яке ми хочемо отримати.

Оптимальним називається рупор, розміри розкриву A,B якого підібрані таким чином, щоб при заданій довжині R рупора коефіцієнт напрямленої дії (КНД ) його був максимальним. Пірамідальний рупор є оптимальним, якщо оптимальні відповідні H і E –секторіальні рупори.

Для оптимального H-рупора маємо:

Rh opt= A²/3 λ (5)

Для оптимального E-рупора маємо:

Re opt= B²/2 λ (6)

З графіка на рис.3(а) [1] бачимо, що приблизно таке підсилення в H секторі буде при ширині розкриву 5 λ. Кривими на данму графіку зображено рівні КНД відносно розмірів рупору. Отже, А=5*12,45=62,25см.

Відповідно до (5), довжина стінки рупора :

Rh=3876.8679 / 37.3587 =103.7 см

На даному графіку коефіцієнт підсилення можна отримати слідуючим чином. Знайдемо відношення Rh/λ:

Rh/ λ=103,7/12,45=8,3

Рис.3.Залежність КНД H-секторіального (а) і Е-секторіального (б) рупорів від відносної ширини розкриву при різній довжині рупору.

Знаходимо ординату точки перетину лінії абцис 5 (A=5 λ) з розрахованою кривою 8,3 (Rh /λ=8,3). В даному випадку приблизно 40. КНД, а значить і Gh (оскільки ККД – коефіцієнт корисної дії, приблизно рівний 1), знаходиться як добуток знайденої ординати на B/ λ, де В в даному випадку для H-секторіального рупору буде рівним відповідно розміру b хвильоводу (6см). Звідси маємо:

Gh = 40*6/12,45=19,2дБ

Задане значення підсилення задовільняє шуканому (17,4) з запасом майже в 2 дБ. Отже, розраховані розміри можна приймати і будувати антени з такими розмірами.

Розрахунок пірамідального рупору дещо відрізняється від розрахунку H – секторіального. Розглянемо, який коефіцієнт підсилення буде мати пірамідальний рупор виконаний на основі розрахованого H – рупору. Пірамідальний рупор має розкрив як в площині H так і в площині E (рис.2в).

Коефіцієнт підсилення пірамідального рупору:

G=(Ge*Gh)/10; де (4)

Ge,Gh – коефіцієнти підсилення E- секторіального і H- секторіального рупору з відповідними розмірами.

Коефіцієнт підсилення для H ми розрахували (19,2дБ) . Необхідно розрахувати коефіцієнт підсилення E – сектора.

Розрахуємо розкрив в E секторі. Для усього рупора необхідно зберегти співвідношення сторін 3:2.[1,2] Тому В=А -33%=62,25-33%=41,5 см. Знайдемо розмір R для E-розкриву. Виходячи з властивостей піраміди і рівнобедреного трикутника можна записати:

Re² = M² – (½ B)²

M=√(( ½*A)² + Rh²)

M= √(968+10753)=108,21

Re ²= 108,21² - 20,75²=11709,4 – 430,6 = 11278,8 Звідси Re = 106,2 см

Коефіцієнт підсилення в Е-рупорі знаходимо з графіка на рис.3(б) аналогічно як і для H – рупора (показник ординати множимо на a/ λ). Отже, маємо:

B/λ = 41,5/12,45=3,3; Re/λ=106,2/12,45 = 8,6; Ge = 26 * 9 / 12,45 = 26 * 0,72 = 18,72 дБ

Відповідно до (4) загальний коефіцієнт підсилення пірамідального рупору буде:

G=(18,72 * 19,2) / 10 = 359,4 / 10 = 35,9дб

Отже, можна зробити висновок, що такий пірамідальний рупор можна використати для зв’язку на досить великих відстанях, оскільки він забезпечує підсилення більше на 15-20дб від підсилення, що буде в відповідному односекторіальному (H, або E ) рупорі, хоча для нашого прикладу можна використовувати розрахований нами H- , або E – секторіальний рупор.

Література:

1. Драбкин А.Л. и др. - Антенно-фидерные устройства. Изд. 2е, доп. и переработ. М. «Сов.Радио», 1974

2. Метрикин А.А. - Антенны и волноводы РРЛ. М., «Связь», 1977

3. http://intuit.ru/department/network/wifi/

4. http://vado351.narod.ru/info/