Các thông số cơ bản của anten : Anten là gì? Ăng-ten có ở khắp mọi nơi, từ ăng-ten nhỏ trên điện thoại di động và máy bộ đàm, đến ăng-ten truyền hình thương mại và truyền hình vô tuyến khổng lồ trên không cao hàng nghìn mét trong không khí. Tuy nhiên, chức năng thực sự của ăng-ten là một bí ẩn đối với nhiều người. Ở dạng đơn giản nhất, anten là một thiết bị (dây) để truyền và thu sóng điện từ, được gắn vào một tháp hoặc một số loại cấu trúc khác. Tùy thuộc vào việc sử dụng và tần số hoạt động, ăng-ten có thể có nhiều dạng, bao gồm một đoạn dây đơn, một lưỡng cực, một mảng yagi, v.v.
Bước sóng và tần số – Các thông số cơ bản của anten
Các thông số cơ bản của anten là bước sóng và tần số. Bất cứ khi nào một tín hiệu truyền trên dây hoặc trong không khí, nó sẽ có dạng sóng điện chu kỳ thay đổi (xem Hình 2.1). Đảo chiều, hoặc xoay chiều, được gọi là Dòng điện xoay chiều (AC). Một sự đảo ngược, trong đó dòng điện chuyển động dương và sau đó âm, tạo nên một chu kỳ đơn. Một chu kỳ đơn được gọi là Hertz; ở đó, một chu kỳ trên giây là 1 Hertz (Hz). Tần số là số Hz ‘(hoặc chu kỳ) xảy ra trong vòng 1 giây. Nếu khoảng thời gian là 1 giây thì sóng RF sẽ có tần số 1 Hz. (xem Hình 2.1).
Các hệ số tiền tố tiêu chuẩn kilo (hàng nghìn), mega (hàng triệu) và giga (hàng tỷ) được sử dụng để biểu thị sự gia tăng tần suất trong hàng nghìn, hàng triệu và hàng tỷ chu kỳ mỗi giây.
■ Một kilohertz = một nghìn chu kỳ mỗi giây = 1 KHz
■ Một megahertz = một triệu chu kỳ mỗi giây = 1 MHz
■ Một gigahertz = một tỷ chu kỳ mỗi giây = 1 GHz
Hầu hết mạng không dây dựa trên tiêu chuẩn WiFi 802.11b và 802.11g. Cả hai tiêu chuẩn này đều hoạt động ở tần số 2,4 đến 2,5 GHz. Các nhóm tần số như thế này được gọi là băng tần. WiFi 802.11a sử dụng tần số từ 5,1 GHz đến 5,8 GHz. Cả hai băng tần này thường được gọi là băng tần Công nghiệp Khoa học Y tế (ISM), vì chúng được chỉ định bởi các cơ quan chính phủ khác nhau quản lý bộ đàm chủ yếu để sử dụng trong thông tin vô tuyến công nghiệp, khoa học và y tế.
Bước sóng là độ dài vật lý của tín hiệu vô tuyến, phép đo này dựa trên hệ mét; tuy nhiên, các phép đo bằng tiếng Anh cũng có thể được sử dụng. Thang đo hệ mét luôn được sử dụng khi nói về các dải (hoặc khu vực) của phổ RF nơi các tín hiệu vô tuyến được nhóm lại. Mặc dù hầu hết các băng tần RF đều có tên chung, nhưng không có gì lạ khi các chuyên gia vô tuyến gọi chúng là băng tần 70 cm ”hoặc“ dải tần 160 mét ”.
Có một mối quan hệ toán học trực tiếp giữa bước sóng và tần số, có thể được biểu thị qua phương trình:
λ=300000/f
Ở đây:
■ λ = bước sóng tính bằng mét
■ f = tần số tính bằng kilohertz
Hoặc :
λ=300/f
Ở đây:
■ λ = bước sóng tính bằng mét
■ f = tần số tính bằng megahertz
Hoặc :
λ=0.3/f
Ở đây:
■ λ = bước sóng tính bằng mét
■ f = tần số tính bằng gigahertz
Ví dụ: 2,45 MHz (2450 MHz) là trung tâm chính xác của các kênh WiFi tiêu chuẩn cho cả 802.11b và 802.11g. Để xác định bước sóng tương ứng với tần số đó, công thức đã được áp dụng như sau:
“Tại sao chúng ta quan tâm đến bước sóng của một ăng-ten?” Khi tín hiệu đang chuyển giữa tín hiệu RF trong không gian và tín hiệu AC trên dây, việc truyền hiệu quả hơn khi kích thước vật lý của ăng-ten là bội số của hoặc một phần nhỏ của bước sóng. Điều này là do cộng hưởng, nghĩa là nếu bước sóng phù hợp với kích thước vật lý của ăng-ten, ăng-ten sẽ dao động dễ dàng hơn ở tần số của tín hiệu, điều này làm cho việc thay đổi loại tín hiệu hiệu quả hơn. Sự kém hiệu quả về điện trong quá trình truyền tín hiệu đến hoặc từ không khí có thể dẫn đến khoảng cách sử dụng kém hơn (được gọi là phạm vi) mà ăng ten có thể tiếp cận. Trong các ví dụ cực đoan, sự kém hiệu quả quá tệ đến mức gây ra hỏng hóc cho máy phát.
Ăng ten phần tư bước sóng và nửa bước sóng thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng vô tuyến, bao gồm cả mạng không dây. Ăng ten phần tư bước sóng dài 3,1cm (1,22in) và một nửa bước sóng dài 6,2cm (2,44in)
Heinrich Rudolph Hertz
Thuật ngữ Hertz được sử dụng để chỉ số chu kỳ trên giây (hoặc tần số) mà sóng vô tuyến dao động. Thuật ngữ này xuất phát từ tên của nhà khoa học và nhà vật lý người Đức ở thế kỷ 19, Heinrich Rudolph Hertz (1857–1894). Hertz được cho là người đầu tiên phát và nhận sóng vô tuyến trong phòng thí nghiệm, sử dụng một thiết bị được gọi là máy phát tia lửa điện. Ông cũng thực hiện các thí nghiệm về cách sóng vô tuyến bị phản xạ, khúc xạ và phân cực, cũng như nguyên nhân gây ra nhiễu sóng vô tuyến và vận tốc của sóng vô tuyến. Các kết quả được công bố của ông về những thí nghiệm này được cho là đã truyền cảm hứng cho chàng trai trẻ Guglielmo Marconi cố gắng sử dụng sóng Hertzian bí ẩn (khi đó chúng được biết đến) để gửi tín hiệu qua một khoảng cách xa mà không cần dây dẫn. Điều này dẫn đến việc phát minh ra máy điện báo không dây của Marconi — chiếc radio đầu tiên. Để tôn vinh công việc của Hertz, tên của ông được sử dụng làm đơn vị đo tần số.
Nói chung, khi chúng ta nói về ăng-ten, chúng ta đang nói về toàn bộ hệ thống ăng-ten, không chỉ bộ bức xạ thực sự phát ra tín hiệu RF. (xem Hình 2.2) .Một hệ thống ăng-ten bao gồm ăng-ten bức xạ, bộ phận thực hiện chuyển đổi thành hoặc từ tín hiệu RF, đường truyền hoặc đường cấp đưa tín hiệu đến ăng-ten và bất kỳ đầu nối hoặc thiết bị ghép nối nào kết nối thực ăng-ten vào đường dây và đường truyền vào đài. Một số ăng-ten được thảo luận trong phần này là các hệ thống đơn giản với ít hơn một ăng-ten và một đầu nối duy nhất cắm trực tiếp vào radio. Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống mà chúng ta thảo luận bao gồm một ăng-ten, một đường truyền và một số đầu nối.
Để có thể nói về anten và radio, bạn cần phải hiểu các thuật ngữ và biệt ngữ. Cũng giống như với máy tính và mạng, có một thuật ngữ riêng biệt với biệt ngữ kỹ thuật của riêng nó. Và mặc dù bạn không cần phải biết tất cả các thuật ngữ này, nhưng chúng được sử dụng liên tục trong các phần tiếp theo, nơi chúng ta nói về cách chọn antenna . Do đó, sau đây là tóm tắt ngắn gọn về một số từ phổ biến liên quan đến vô tuyến kỹ thuật và ý nghĩa của chúng.
Tín hiệu vô tuyến – Các thông số cơ bản của anten
Tín hiệu vô tuyến là một sóng RF đã được thay đổi để mang một số thông tin. Cách thức mà thông tin được truyền tới sóng vô tuyến được gọi là điều chế. Một số kỹ thuật điều chế khác nhau được sử dụng trong mạng không dây, bao gồm phổ trải rộng theo trình tự trực tiếp (DSSS), phổ trải rộng nhảy tần (FHSS), khóa mã bổ sung (CCK) và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). Thông thường, bạn không phải quan tâm đến loại điều chế như một phần của phần cứng vật lý của đài.
Nhiễu
Nhiễu là phép đo có bao nhiêu tín hiệu RF đi lạc trong cùng một vùng tần số. Tín hiệu lạc hướng là vô ích và do đó, không mong muốn. Tương tự như vậy, tiếng ồn xung quanh trong một nhà hàng đông người có thể cản trở cuộc trò chuyện giữa những người cùng bàn, Nhiễu RF từ những thiết bị gần đó có thể cản trở việc truyền trên mạng không dây. Nhiễu RF cũng có thể đến từ các máy phát RF không chủ ý khác. Hầu hết các thiết bị điện (ví dụ, động cơ điện) đều tạo ra một số nhiễu RF. Ngoài ra, có các nguồn RF tự nhiên như mặt trời.
Mức độ nhiễu RF nền còn được gọi là tầng nhiễu. Tầng nhiễu điển hình cho tín hiệu 802.11b / g thường vào khoảng -90 dBm đến -100 dBm.
Decibels
Độ lớn của công suất trong một tín hiệu điện tử có thể khác nhau đáng kể, điều này đặc biệt đúng với sóng vô tuyến. Trong khi công suất đầu ra thông thường của máy phát vô tuyến được biểu thị bằng watt, thì sự mất mát công suất xảy ra khi một tín hiệu truyền đi một khoảng cách bất kỳ trong không gian, đến mức cuối cùng khi nhận được tín hiệu, nó giảm xuống còn phần nghìn watt. Để có điểm chung giữa các mức độ lớn, tỷ lệ của các mức công suất được sử dụng. Thuật ngữ dùng để mô tả tỷ lệ đó là Bel, được sử dụng lần đầu tiên bởi các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell vào những năm 1920 làm thước đo tín hiệu điện thoại . Nó được đặt theo tên của Alexander Graham Bell, người phát minh ra điện thoại. Bởi vì đơn vị Bel rất lớn, decibel (dB) (hoặc một phần mười Bel) trở thành đơn vị được sử dụng phổ biến.
Phương trình cho decibel là:
Trong đó p = công suất.
Khi thảo luận về công suất tín hiệu vô tuyến trong các băng tần được sử dụng bởi mạng không dây, là một miliWatt (mW), hoặc một phần nghìn của một watt.
Trong đó dBm chỉ ra decibel được tham chiếu đến 1 mW.
Dựa trên thông tin này, chúng tôi xác định rằng một đài phát thanh 0 dBm phát ra 1 mW công suất, một bộ phát 10 dBm phát ra 1/100 một watt hoặc 10mW watt và một bộ phát có tín hiệu 30 dBm sẽ phát ra một Watt đầy đủ. (xem Bảng 2.1).
Thông thường, các số âm được sử dụng để hiển thị decibel của một tín hiệu nhận được, điều này là do sự mất mát không gian trống, đó là sự mất mát mà tín hiệu phải chịu khi nó truyền trong không gian. Số âm biểu thị sự mất mát hoặc suy giảm của tín hiệu, trong khi số dương biểu thị sự bổ sung hoặc độ lợi của tín hiệu.
Độ lợi
Công thức tính độ lợi của antenna
Khi được sử dụng để chỉ ăng-ten vô tuyến, thuật ngữ độ lợi là một biểu hiện về mức độ tăng thêm của một ăng-ten vào tín hiệu vô tuyến. Bởi vì ăng-ten là thiết bị thụ động không có nguồn, chúng không thực sự khuếch đại tín hiệu. Đúng hơn, chúng hoạt động giống như một tấm phản xạ trong đèn pin, giúp tập trung tín hiệu. Hầu hết các ăng-ten đều thêm một lượng khuếch đại nhất định vào tín hiệu (được liệt kê trên ăng-ten hoặc bao bì). Phép đo độ lợi của ăng-ten được hiển thị dưới dạng decibel đẳng hướng (dBi) hoặc decibel Dipole (dBd). Trong ngữ cảnh này, cả “đẳng hướng” và “lưỡng cực” chỉ ra những cách khác nhau mà phép đo có thể được thực hiện so với ăng ten đẳng hướng hoặc ăng ten lưỡng cực một nửa bước sóng. Để so sánh một ăng ten có xếp hạng dBi với một ăng-ten có xếp hạng dBd, lấy giá trị dBi trừ đi 2,15 để được dBd. Ví dụ: nếu bạn đang cố gắng so sánh xếp hạng của hai ăng-ten, một ăng-ten được đánh giá ở 5 dBi và ăng-ten kia được xếp hạng ở 5dBd, bạn sẽ xác định phương tiện đo phổ biến bằng cách trừ đi từ con số dBi.
Phương trình sẽ là: 5dBi – 2.15 = 2.85dBd
Trong đó một ăng-ten được đánh giá ở 2,85dBd và ăng-ten kia được đánh giá ở 5dBd.
Theo nguyên tắc chung, khi độ lợi của một ăng-ten tăng lên, thì kích thước vật lý cũng tăng theo. Ví dụ, ăng ten đa hướng gắn trên cột buồm có độ khuếch đại 4,5 dBi (thể hiện trong Hình 2.5) chỉ có chiều dài dưới 8 inch; 9dBi có chiều dài 25 inch.
Một nguyên tắc chung khác là khi độ lợi tăng lên thì phạm vi hoặc khoảng cách mà tín hiệu có thể sử dụng có thể thu được. Ngoài ra, khi độ lợi và phạm vi tăng lên, kiểu ăng-ten thay đổi, có thể gây ra các tác dụng không mong muốn.
Suy hao – Các thông số cơ bản của anten
Suy hao là sự giảm hoặc mất tín hiệu qua không gian trống, hoặc qua các phần tử khác nhau tạo nên hệ thống ăng ten. Mỗi phần tử của hệ thống ăng-ten không phải là bản thân ăng-ten sẽ gây ra một số suy hao, bao gồm cả cáp và đầu nối.
Nếu bạn đang thêm các thành phần vào hệ thống ăng-ten, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng tổng suy hao không vượt quá đầu ra tín hiệu RF của radio.
Tỷ số tín-tạp
Tỷ số giữa năng lượng mang thông tin mong muốn và năng lượng không mong muốn
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) là phép đo mức độ cao của một tín hiệu nhất định trên tầng nhiễu. Nó có thể được xác định thông qua công thức này:
S-N=SNR
Ở đây
■ S là Cường độ tín hiệu tính bằng dBm
■ N là nhiễu tính bằng dBm
Ví dụ: nếu thiết bị mạng không dây của bạn cho thấy rằng bạn có số đọc cường độ tín hiệu là -82dBm và SNR là -96dBm, thì bằng cách trừ -96dBm cho -82dBm, bạn có thể thấy SNR là 14dBm : -82dBm — 96dBm = 14dBm.
Đa đường dẫn – Các thông số cơ bản của anten
Do bản chất vật lý của vi sóng được sử dụng trong mạng không dây, sóng có xu hướng phản xạ lại nhiều đối tượng khác nhau. Mức độ phản xạ của sóng phụ thuộc vào vật liệu của vật thể, khoảng cách từ nguồn RF và cường độ của sóng. Bởi vì sóng có thể dội lại và phản xạ từ nhiều đối tượng khác nhau trong một khu vực nhất định, nhiều sóng RF sẽ đến máy thu thông qua các con đường hơi khác nhau và vào những thời điểm hơi khác nhau. Điều kiện này được gọi là đa đường.
Đa đường là tốt vì nó cho phép tín hiệu đến các khu vực mà sóng RF có thể không tiếp cận được. Đa đường là không tốt khi các tín hiệu đó không đồng bộ với nhau và gây ra nhiễu.
Trở Kháng
Trở kháng là tải điện trên mạch ăng ten. Khi được kết hợp chính xác, trở kháng giúp đạt được sự truyền tải công suất tối đa của sóng RF giữa ăng-ten và radio. Ký hiệu tiêu chuẩn cho ohms là chữ cái Hy Lạp Omega (Ω). Bạn có thể thấy trở kháng của ăng-ten hoặc cáp được ghi là “50 ohms (Ω). ” Nếu không có sự kết hợp trở kháng, sự suy giảm quá cao, tín hiệu có thể bị giảm đáng kể hoặc chết hoàn toàn.
Điều quan trọng cần nhớ về trở kháng là mua và sử dụng các thành phần phù hợp. Trong hầu hết các hệ thống vô tuyến di động (bao gồm cả 802.11b / g), trở kháng tiêu chuẩn là 50 Ω.
Sự phân cực – Các thông số cơ bản của anten
Sự tạo ra các từ cực hoặc cực tính. Hướng của điện trường từ một anten phát xạ và được định bởi vị trí thực của anten
Sóng vô tuyến được định hướng xuống mặt đất khi chúng được phát ra từ một ăng-ten, định hướng này được gọi là phân cực. Có ba kỹ thuật phân cực điển hình được sử dụng trong hệ thống vô tuyến: dọc, ngang và tròn. Khi hệ thống vô tuyến sử dụng phân cực dọc, hệ thống vô tuyến khác sử dụng phân cực ngang không thể sử dụng tín hiệu và ngược lại. Nói chung, hầu hết các hệ thống mạng không dây sử dụng phân cực tín hiệu dọc, mặc dù nhiều thẻ CardBus không dây được sử dụng trong máy tính xách tay có phân cực ngang, điều này có xu hướng gây ra một số mất tín hiệu, do đó làm giảm hiệu quả của chúng khi được sử dụng với các điểm truy cập phân cực ngang. Hình 2.2 minh họa cách các tín hiệu di chuyển liên quan đến mặt đất.
Phân cực tròn yêu cầu các ăng-ten xoắn ốc đặc biệt, nhưng cũng sẽ hoạt động với các tín hiệu dọc và ngang với mức suy hao tín hiệu nhỏ. Tuy nhiên, phân cực tròn hiếm khi được sử dụng trong hệ thống mạng không dây.
Hình dạng của vỏ ăng-ten không phải lúc nào cũng chỉ ra cực tính của tín hiệu RF. Vỏ ăng-ten có thể được lắp theo chiều dọc mà vẫn phát và nhận tín hiệu theo chiều ngang. Hầu hết các nhà sản xuất ăng-ten đều nêu rõ sự phân cực tín hiệu của một mô hình ăng-ten nhất định trong tài liệu của họ. Trên một số kiểu ăng-ten, phân cực có thể được thay đổi bằng cách thay đổi hướng của ăng-ten.
Cáp truyền dẫn, cáp RF và cáp ăng-ten mang tín hiệu giữa radio và ăng-ten. Như đã lưu ý trước đây, trở kháng tín hiệu của hầu hết các thành phần mạng không dây là 50 Ω, bao gồm cả cáp. Cáp RF được sử dụng trong mạng không dây là đồng trục, nghĩa là cáp có hình tròn với tất cả các phần của cáp được quấn quanh một trục chung. Bởi vì điều này, cáp RF thường được gọi là cáp đồng trục hoặc cáp đồng trục. Một mục quan trọng cần lưu ý khi mua cáp là giá trị suy hao của nó. Sự suy hao của bất kỳ cáp RF nào được nhà sản xuất biết và phải được ghi chi tiết trên bao bì của cáp hoặc có trên trang Web của nhà sản xuất. Trong trường hợp cáp RF, độ suy giảm thường được đo trên mỗi foot. Vì vậy, nếu một loại cáp nhất định được biết là có suy hao -1 dBm trên mỗi foot, thì có thể dễ dàng xác định rằng chiều dài 10 foot của cáp đó sẽ dẫn đến suy hao -10 dBm. Nói chung, đường kính của cáp càng lớn thì suy hao càng ít.