Что такое коэффициент усиления антенны: ответ Wi-Fi-Гида

Всем привет! Я не буду вас грузить сложными понятиями, а также формулами. Те люди, которые их знают, на эту статью точно не попадут. Я постараюсь приблизительно представить в вашей голове, что же такое коэффициент усиления антенны. Во второй главе я расскажу, как можно усилить Wi-Fi или мобильный интернет (3G, 4G), так же как можно ловить или передавать интернет на многие километры. Если у вас останутся вопросы после прочтения статьи, то пишите в комментариях.

Разбор

Давайте начнем с самого начала. Все эти антенны нужны для излучения радиоволн. Что же такое радиоволны? – это электромагнитное излучение. Её используют почти везде – мобильная связь 3G, 4G, 5G, LTE, Wi-Fi, спутниковый интернет, радио и т.д.

Свет является такой же волной, только имеет более высокую частоту. Давайте представим себе, что у нас есть лампочка. Мы возьмем эту лампочку и прикрутим её в большой комнате. Если включить эту лампочку, то свет начнет светить во все стороны. Так как комната большая, то большая часть углов будут еле-еле подсвечены или будут полностью погружены во мрак.

Теперь мы возьмем, и с одной стороны лампочки установим специальный отражатель с зеркальной поверхностью. Теперь лампа начнет светить только в одну сторону – пучок света стал сильнее и может осветить даже более темные участки и углы. Если отражатель сделать уже по отношению к выходному свету, то пучок станет также уже, а расстояние, на которое сможет пройти свет без серьезного затухания, станет выше. Но с других сторон, где свету преграждает стенки отражателя – везде будет тьма. На таком принципе работают все фонарики.

А теперь мы подобрались к простому определению. Коэффициент усиления (КУ) антенны – это способность антенны концентрировать сигнал в определенном направлении, при этом возможность как принимать, так и передавать сигнал.

Рассчитывается как отношение мощности, которая необходима, чтобы создать напряжение антенны в концентрированном направлении, к мощности, которая нужна была бы (в теории), чтобы подвести к эталонной антенне для создания такой же напряженности поля в той же точке.

Пока ничего не понятно? Смотрите, эталонная антенна – это та антенна, которая как наша лампочка распространяет радиоволны во все стороны. А вот реальная антенна – это как раз та самая лампочка с отражателем, которая концентрирует сигнал в определенный пучок.

Посмотрите на рисунок выше. КУ – это как раз размер того самого пучка. Чем выше КУ, тем сам пучок имеет меньший угол, но более высокую длину или, если быть точнее, дальность распространения. КУ антенны измеряется в децибелах (дБ, дБи, дБд). В характеристиках роутера, а также у 3G/4G или Wi-Fi антенн обычно используется показатель dBi (или дБи).

Посмотрите на картинку ниже. Как понятно из картинки, чем больше параметр dBi, тем дальше летит радиоволна. Но тут также нужно учитывать, что сам размер пучка становится меньше.

Именно поэтому дома у роутера устанавливают всенаправленные антенны с dBi от 3 до 5, чтобы не приходилось ходить с телефоном и ловить этот самый пучок. Но если вы хотите передать интернет с вай-фай на несколько километров по мосту, то уже используют устройства с большим показателем КУ – от 15 dBi и больше.

Если вы хотите сильнее углубиться в эту тему, то советую почитать статью про мощность антенны.

Что означает dBi на практике – простая таблица

Чтобы было ещё понятнее, вот простая табличка. Она показывает, что происходит с сигналом при увеличении dBi, и для каких задач это подходит:

Важный нюанс, который часто упускают: высокий dBi у всенаправленной антенны на домашнем роутере не всегда хорош. Когда угол «пучка» сужается, сигнал лучше бьёт вдаль по горизонтали, но хуже распространяется вверх и вниз. Например, если у вас двухэтажный дом и роутер стоит на первом этаже – антенна с 9 dBi может хуже добивать на второй этаж, чем штатная антенна на 3 dBi. Для квартиры и дома оптимальный диапазон – 3-5 dBi, не больше.

Чем dBi отличается от dBd

В характеристиках антенн можно встретить два обозначения: дБи (dBi) и дБд (dBd). Разница в том, относительно чего измеряется усиление. dBi – это усиление относительно идеальной теоретической антенны, которая излучает абсолютно одинаково во все стороны (изотропный излучатель). В природе такой антенны не существует, это просто математическая точка отсчета. dBd – это усиление относительно реального полуволнового диполя (простейшая антенна из двух проводков).

Между ними есть чёткое математическое соотношение: 1 dBd = 2,15 dBi. То есть антенна с усилением 5 dBd – это то же самое, что 7,15 dBi. На практике производители оборудования почти всегда указывают dBi, потому что это более «красивая» цифра – она просто больше. Если вы видите в характеристиках только «дБ» без уточнения – скорее всего имеется в виду дБи, но лучше это уточнить у продавца или производителя.

MIMO – когда несколько антенн это не просто «больше»

Если вы смотрите на современный роутер и видите на нём 4, 6 или даже 8 антенн – это не значит, что у него просто огромный коэффициент усиления. Здесь работает технология MIMO (Multiple Input Multiple Output – несколько входов, несколько выходов). Суть в том, что несколько антенн одновременно передают разные потоки данных. Это похоже на то, как если бы вместо одной широкой трубы для воды вы поставили несколько труб поменьше – суммарный поток воды станет больше.

Именно поэтому роутер с 4 антеннами по 3 dBi зачастую лучше для дома, чем одна антенна на 12 dBi. Первый вариант обеспечивает и хорошее покрытие по всей квартире, и высокую скорость за счёт MIMO. Второй – бьёт далеко и узко, что для дома просто не нужно. На текущий день практически все Wi-Fi 5 (802.11ac) и Wi-Fi 6 (802.11ax) роутеры работают по технологии MIMO или MU-MIMO, которая умеет обслуживать несколько устройств одновременно.

Как правильно ориентировать антенны на роутере

Раз уж мы говорим про антенны, расскажу про частый вопрос – как правильно их расположить на роутере. На большинстве домашних роутеров антенны всенаправленные, то есть они излучают сигнал «бубликом» вокруг своей оси. Если антенна стоит вертикально, то сигнал хорошо распространяется по горизонтали – то есть по всей комнате на том же этаже. Если антенну положить горизонтально – сигнал пойдёт вверх и вниз, что полезно при многоэтажном доме.

Поэтому если у вас одноэтажная квартира и роутер стоит на полке – держите антенны вертикально. Если нужно покрыть два этажа – одну антенну можно положить горизонтально, а другие оставить вертикальными. На роутерах с тремя антеннами часто рекомендуют расположить боковые под углом 45° в разные стороны, а среднюю вертикально – это даёт более равномерное покрытие. Конкретные рекомендации зависят от модели, но общий принцип именно такой.

Как улучшить сигнал и усилить антенну?

Смотря для чего вы хотите это сделать. Для домашнего Wi-Fi можно сделать отдельную всенаправленную антенну. Особенно это помогает, если антенки у маршрутизатора внутренние. Второй вариант, если вы хотите построить вай-фай мост.

Что такое Wi-Fi мост? Представим ситуацию, что вы живете в частном доме. А ваш брат через пару километров в многоэтажке. Все провайдеры вам отказывают проводить интернет. 3G/4G не ловит, и тогда на помощь может прийти Wi-Fi мост. Ваш брат покупает (или делает сам) Wi-Fi пушку, которая подключена к его роутеру. Вы делаете или покупаете аналогичное устройство.

Обе эти Wi-Fi пушки из-за большого КУ должны быть направлены точно друг на друга. Вспоминаем, чем больше КУ, тем дальше летит радиоволна, но имеет меньший размер луча. Вот таким вот образом можно передать вай-фай с интернетом по мосту на несколько километров. Подробнее о том, как настроить такой мост, можно почитать в статье про Wi-Fi мост.

Обратите внимание на важный момент при монтаже Wi-Fi моста: антенны нужно устанавливать как можно выше, чтобы между ними было как можно меньше препятствий – деревьев, домов, рельефа. Даже небольшой холм или здание, которое попадает в зону прямой видимости, может серьёзно снизить качество сигнала или полностью его перекрыть. Для расстояний свыше 3-5 км лучше использовать антенны с КУ от 20-24 dBi и выше, а также убедиться в наличии так называемой «прямой видимости» между точками.

По поводу самодельных вай-фай антенн читаем тут. Там есть все схемы и подробная инструкция, как их сделать.

Если же вы хотите усилить мобильный сигнал, то все делается примерно аналогично. Покупаем или делаем узконаправленную антенну с высоким КУ. Направляем её на вышку. Антенну можно подключить к повторителю дома. Опять же есть как самодельные варианты, так и покупные. О тех и других я уже подробно писал тут.

Небольшое практическое замечание по поводу антенн для 4G: современные сети работают по технологии MIMO, и большинство 4G модемов имеют два разъёма для антенны (MAIN и AUX). Для полноценного усиления нужно подключить две антенны – по одной в каждый разъём. Если подключить только одну, модем всё равно будет работать, но не сможет использовать преимущества MIMO, что скажется на скорости. Антенны при этом должны быть развёрнуты под углом 90° друг к другу для лучшего разделения поляризаций. Если же вы хотите решить вопрос без антенн – посмотрите варианты с усилителями Wi-Fi сигнала.

Формула

Если расшифровать эту формулу простыми словами: G(dBi) = 10 × log(G), где G – это во сколько раз ваша антенна сильнее идеальной «шаровой» антенны. Например, если антенна в 3 раза «сильнее» эталонной – то её КУ составит 10 × log(3) ≈ 4,77 dBi. Если в 10 раз – то 10 × log(10) = 10 dBi. Именно поэтому шкала в децибелах «нелинейная»: разница в 3 дБи на самом деле означает двукратное усиление мощности, а 10 дБи – десятикратное. Это нужно помнить, когда сравниваете антенны: разница в 3 дБи – это не «чуть лучше», а вдвое мощнее.

Частые вопросы (FAQ)

Чем выше dBi у антенны роутера – тем лучше сигнал в квартире?
Не обязательно, и это главное заблуждение. Высокий dBi означает, что сигнал концентрируется в более узкий пучок и бьёт дальше, но покрытие по всем направлениям становится хуже. Для обычной квартиры антенна на 3-5 dBi охватывает всё пространство вокруг роутера равномерно. Если поставить антенну на 9-12 dBi – сигнал отлично пробьёт соседний дом через улицу, но соседняя комната сбоку может получить его хуже, чем раньше. Для дома нужна не максимальная дальность, а равномерное покрытие.

 

В чём разница между dBi и dBm?
Это совсем разные вещи. dBi – это коэффициент усиления антенны, то есть насколько она «концентрирует» сигнал по сравнению с идеальной всенаправленной антенной. dBm – это абсолютная мощность сигнала в данной точке (измеряется в милливаттах, переведённых в логарифмическую шкалу). Например, в характеристиках роутера мощность передатчика может быть указана как 20 dBm – это и есть реальная мощность устройства. Если к этому передатчику добавить антенну с усилением 10 dBi, то в направлении максимума сигнала суммарная эффективная мощность составит 20 + 10 = 30 dBm, то есть в 10 раз больше.

 

Можно ли заменить штатные антенны роутера на более мощные?
Да, если у вашего роутера съёмные антенны с разъёмом RP-SMA (самый распространённый). Просто откручиваете старые и вкручиваете новые. Но помните: большой смысл это имеет только если вам нужно «пробить» конкретную зону, например, дальний угол большого дома. Просто купить антенны на 9 dBi вместо штатных 3 dBi и ожидать, что «Wi-Fi станет в три раза лучше» – не сработает. Реальный прирост в квартире будет умеренным, а в некоторых направлениях сигнал даже ухудшится из-за сужения пучка. Также учтите, что закон ограничивает мощность излучения Wi-Fi устройств, поэтому бесконечно наращивать усиление нельзя.

 

На какое расстояние можно построить Wi-Fi мост?
При использовании профессиональных направленных антенн с КУ 20-24 dBi и прямой видимости – реально добиться устойчивой связи на 5-10 км, а в отдельных случаях и больше. Ключевое условие – прямая видимость между двумя точками без серьёзных препятствий. Кроме того, важно использовать оборудование с одинаковыми или совместимыми стандартами связи на обоих концах моста. Для любительских мостов на 1-2 км вполне подойдут самодельные антенны типа «банка» или «биквадрат» с КУ 10-15 dBi.

 

Почему антенна с высоким dBi плохо работает в многоэтажном доме?
Потому что всенаправленная антенна с высоким dBi излучает сигнал в виде всё более «плоского блина»: чем больше dBi, тем сильнее сигнал концентрируется по горизонтали и слабее идёт вверх-вниз по вертикали. Если роутер стоит на первом этаже, а вам нужен сигнал на третьем – антенна на 2-3 dBi справится лучше, чем антенна на 9 dBi. Именно поэтому для многоэтажного покрытия либо ставят несколько точек доступа, либо укладывают одну из антенн роутера горизонтально, чтобы пучок «повернулся» вертикально.

Видео

Если еще остались вопросы, то можете посмотреть полезное видео ниже или обратиться ко мне в комментариях.

YouTube