Основы антенн

Во второй части серии «Основы антенн» мы рассмотрим физику антенн, которую мы используем каждый день, включая информацию о диэлектрической проницаемости, усилении, направленности и многом другом.

Антенны передают информацию между точками путем изменения электромагнитных полей в одном месте и детектирования изменений электромагнитных полей в другом месте. Чтобы понять, как антенны могут передавать информацию на всё более удаленные места, вы должны сначала понять физику, которая регулирует их работу.

Обзор

«Введение в основы антенн» предоставляет первую часть информации о фундаментальной физике, необходимой для понимания, как антенны передают и принимают информацию. Данная статья расширит представления предыдущей статьи, чтобы добавить понятия диаграммы излучения в ближнем и дальнем поле, диэлектрической проницаемости, направленности и усилении.

Что происходит в проводнике антенны?

Представьте генератор синусоидального сигнала, подключенный к проводу и создающий изменяющуюся во времени разность потенциалов, приложенную к проводу. Из-за приложенной разности потенциалов носители заряда внутри провода будут передвигаться. Изменение амплитуды и полярности разности потенциалов, создаваемой генератором синусоидального сигнала, заставляет электроны постоянно ускоряться, замедляться и изменять направление движения вдоль провода.

Демонстрационное видео выше показывает моделирование излучающего заряда из Университета Колорадо. Вы можете попробовать это моделирование .

Сначала генератор синусоидального сигнала перемещает заряды в одном направлении, создавая электрические и магнитные поля, которые увеличиваются по мере роста напряжения. Эти поля постоянно меняются, и эти изменения полей распространяются от антенны со скоростью света – быстро, но предел всё-таки есть.

По мере продолжения периода синусоиды генератора напряжение уменьшается, и величины магнитного и электрического полей так же уменьшаются. Когда генератор синусоиды меняет полярность, а затем увеличивает величину напряжения, носители заряда замедляются, меняют направление движения и ускоряются. Это изменяет полярность электрического и магнитного полей.

Недавно излученные в предыдущем полупериоде поля и поля из текущего полупериода создают чередующиеся крайние точки в напряженностях полей, которые распространяются от антенны.

Излучение, создаваемое диполем Герца

Присутствие в проводе носителей заряда создает электрическое поле, которое исходит от провода; движение носителей заряда создает магнитное поле, которое окружает провод; а ускорение носителей заряда создает электромагнитные волны, которые распространяются от провода.

Я настоятельно рекомендую вам взглянуть на превосходный видеоплейлист от доктора Джона Белчера из MIT, который лучше иллюстрирует изменения линий полей.

Область, близкая к антенне, d ≪ λ, называется областью ближнего поля, и в ней доминируют магнитные поля. Переходная зона находится на расстоянии от одной до двух длин волн; а дальше расположена область дальнего поля, d > 2λ, где электрическое поле становится более размеренным и доминирующим.

Большинство антенн работают в дальней зоне и передают информацию на большие расстояния с помощью изменяющихся магнитных полей. Антенны ближней зоны, которые используют сильные магнитные поля в области, близкой к антенне, становятся все более популярными, хотя дальность связи ближнего поля ограничивается несколькими длинами волн.

Даже притом, что радиопередатчики, какие как nRF24 и Bluetooth-устройства, имеют ограниченную дальность связи, они всё еще используют связь в дальней зоне – информацию передает электрическое поле. RFID-метки и NFC-метки имеют очень маленькую дальность связи и используют связь в ближней зоне (т.е. доминирующее магнитное поле).

Диаграммы направленности

Анимация выше показывает контуры постоянной плотности мощности излучения, распространяющегося со временем от антенны и отслеживаемого в плоскости, в которой вертикально расположена дипольная антенна. Это двумерный срез трехмерной диаграммы направленности излучения.

Как правило, чтобы показать диаграмму направленности излучения в дальней зоне, из-за сложности прослеживается только один контур (линия или поверхность равных значений) вокруг антенны. Контурные поверхности сосредоточены вокруг антенны, а контурные линии центрированы на взаимно перпендикулярных плоскостях, которые пересекают антенну, часто через линию симметрии. Диполь Герца выше передает в вертикальном направлении очень мало энергии, что близко к нулю.

Трехмерные диаграммы направленности излучения, проецируемые (как двумерные диаграммы) на плоскость с декартовой системой координат. Основаны на модели из Mathematica, которую найти можно

Для получения различных диаграмм направленности разрабатываются различные конструкции антенн. Сложность диаграммы зависит от конструкции антенны.

Технические описания антенн иногда поставляются с трехмерными проекциями диаграмм направленности. Но чаще всего мы видим двумерные графики и должны сами представить себе, как выглядит трехмерная модель диаграммы направленности.

Представление диаграммы направленности антенны Яги в полярных и декартовых системах координат

Диэлектрическая и магнитная проницаемости

Диэлектрическая проницаемость

Майкл Фарадей заметил, что, когда диэлектрики (изоляторы) помещаются в зазор между параллельно расположенными пластинами конденсатора, емкость увеличивается. Это явление связано с поляризацией зарядов внутри диэлектрической среды.

Диэлектрическая проницаемость является мерой того, насколько легко эти заряды могут выстраиваться (поляризация) в присутствии электрического поля. Более высокая диэлектрическая проницаемость указывает на большую устойчивость к формированию электрического поля, а также на более медленное распространение в среде возмущений.

Материал с высокой диэлектрической проницаемостью, окруженный материалом с низкой диэлектрической проницаемостью, не будет влиять на частоту колебаний, но материал с высокой диэлектрической проницаемостью уменьшит скорость распространения волны. Если вспомнить, что скорость волны равна произведению частоты на длину волны, то мы можем увидеть, что, если частота остается постоянной, то уменьшение скорости должно сопровождаться соответствующим уменьшением длины волны. Когда волна выходит из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, скорость и длина волны увеличиваются.

Когда антенна встроена в материал с высокой диэлектрической проницаемостью, размеры антенны могут быть уменьшены в соответствии с уменьшение длины волны электромагнитных волн в непосредственной близости от антенны.

Некоторые ранние GPS антенны (f = 1,56 ГГц) были размером 60 мм на 66 мм и толщиной в несколько миллиметров, плюс схема приемника дополнительно увеличивала размер устройства. Благодаря одновременному использованию технологий, уменьшающих размеры схем, и микрополосковых антенн последнего поколения, встроенных в материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, GPS устройства, включающие в себя антенну и приемник, могут быть произведены в корпусе размером 4 мм на 4 мм и толщиной 2,1 мм.

Похожие технологии используются и в мобильных телефонах, где резонансные антенны существенно меньше длины волны, которая распространяется в воздухе.

При переходе волны между материалами с разной диэлектрической проницаемостью энергия отражается. Если волна движется из материала с низкой диэлектрической проницаемостью (т.е. с высокой скоростью распространения) в материал с высокой диэлектрической проницаемостью (т.е. с низкой скоростью распространения), волна будет подвергаться инверсии (то есть сдвигу фазы на 180 градусов). Отраженные волны могут взаимодействовать с новыми приходящими волнами, создавая различные модели интерференции (смотрите Введение в основы антенн).

Переход волны от высокой скорости к низкой скоростиПереход волны от низкой скорости к высокой скорости

Магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость – это способность материала накапливать энергию в магнитных полях. Напомним, что сигналы излучаются антеннами в виде электромагнитного излучения – в процессе участвуют и электрическое, и магнитные поля. Таким образом, не будет сюрпризом то, что магнитная проницаемость, как и диэлектрическая проницаемость, влияет на распространение электромагнитных волн. И диэлектрическая, и магнитная проницаемости дают в результате уменьшение скорости волны и уменьшение длины волны.

Контурная антенна на ферритовом стержне имеет две обмотки для приема сигналов с амплитудной модуляцией на средних и длинных волнах

Чтобы закрепить идею о том, что диэлектрическая и магнитная проницаемости влияют на скорость (и длину волны) электромагнитного излучения, мы можем рассмотреть «скорость света», которая на самом деле является скоростью не только света, но и электромагнитного излучения в целом. Скорость света в вакууме – самая высокая скорость во вселенной, обозначается, как C, и рассчитывается с использованием диэлектрической и магнитной проницаемостей свободного пространства:

\

Направленность, эффективность и усиление

Изотропные антенны являются теоретическими точечными источниками, которые излучаются электромагнитную энергию одинаково во всех направлениях. Общая излучаемая мощность определяется путем интегрирования потока мощности на поверхности сферы радиусом r, которая окружает антенну. \(\text{Площадь поверхности}=4\pi r^2\)

Интеграл представляет собой теоретическую полную излучаемую мощность. По мере удаления от источника площадь поверхности интегрирующей сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса сферы. Энергия от изотропных излучателей рассеивается равномерно для покрытия этой увеличивающейся площади, и, таким образом, плотность потока электромагнитной мощности уменьшается пропорционально квадрату расстояния от излучателя.

Поскольку плотность мощности изотропного излучателя уменьшается быстро по мере увеличения расстояния, разработчики при создании реальных антенн манипулируют направлением излучения энергии так, чтобы увеличить плотность мощности в нужных направлениях и уменьшить ее в остальных направлениях.

Коэффициент направленного действия (КНД, или просто направленность) – это отношение плотности мощности физической антенны в наиболее концентрированном направлении к плотности мощности теоретического изотропного излучателя при том же уровне полной излучаемой мощности.

\

Коэффициент направленного действия (КНД) выражается как обычное число, представляющее собой безразмерный коэффициент или значение в децибелах; и чем больше его значение, тем сильнее сфокусирован луч. Антенна, которая излучает одинаково во всех направлениях, обладает коэффициентом направленного действия, равным 1 (0 дБ). Диполь Герца, представленный ранее, из-за недостатка энергии, передаваемой в z-направлении, обладает КНД, равным 1,5 (1,76 дБ).

В зависимости области применения используются антенны с разной направленностью:

• антенны со слабой направленностью передают и принимают информацию со всех направлений более или менее одинаково. Они полезны в мобильных приложениях, где направление между передатчиком и приемником может изменяться;
• антенны с высокой направленностью способны передавать и принимать информацию на больших расстояниях, но должны быть направлены в сторону другой антенны. Они используются в стационарных установках, таких как спутниковое телевидение.

Параболические антенны (например, те, которые используются для приема спутникового телевидения) обладают коэффициентом усиления (КУ), равным 37,5 дБ. Коэффициент усиления антенны включает в себя коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент полезного действия (КПД) антенны.

\

Коэффициент полезного действия рассчитывается исходя из фактических потерь конкретной конструкции антенны из-за производственных дефектов, потерь поверхностного покрытия, несоответствия импеданса (волнового сопротивления) и других факторов. В то время как коэффициент направленного действия всегда больше или равен 1 (0 дБ), коэффициент усиления антенны может быть меньше 1 (0 дБ).

Рефлекторы (отражатели)

Диаграмма направленности излучения антенны дает нам информацию о ее способностях приема и передачи в различных направлениях. Диаграмма направленности излучения может быть сформирована путем добавления направляющих элементов (директоров) спереди антенны и отражающих элементов (рефлекторов) позади ее.

Рефлекторы перенаправляют энергию, которая излучалась бы антенной в обратном направлении, таким образом, что она распространяется в прямом направлении.

Диаграмма направленности. Прямое направление соответствует 0°

Пример рефлектора антенны можно ужидеть на следующей фотографии космического аппарата Voyager.

Voyager и антенна Кассегрена

При приеме она захватывает энергию с большой площади и отражает ее в сторону приемного элемента. При передаче она концентрирует электромагнитное излучение вдоль центральной оси. Усиление, обеспечиваемое подобными антеннами, способствует успешной передаче информации на очень большие расстояния.

Телевизионные УВЧ антенны обладают отражающими элементами на дальней стороне дипольного приемного элемента; они собирают и отражают (в сторону приемного элемента) радиоволны, которые в противном случае прошли бы мимо.

УВЧ антенна с четырьмя рефлекторами (на фотографии слева)

Директоры

Как и отражающие элементы, направляющие элементы добавляются в антенны для формирования диаграммы направленности излучения. Их длины и расстояние между ними выбираются таким образом, чтобы они поглощали энергию и переизлучали ее синфазно с волнами, распространяющимися непосредственно к приемному элементу или непосредственно от передающего элемента. Это создает конструктивную интерференцию, которая используется только в прямом направлении антенны; волны, которые поступают с других сторон, поглощаются и переизлучаются не синфазно, что приводит к разрушающей интерференции.

Директоры в телевизионной УВЧ антенне

Надеюсь, что эта статья и предыдущая в данной серии помогли вам лучше понять, как работают антенны, и что представляют их характеристики. Оставляйте комментарии!

Теги

АнтеннаБлижнее полеДальнее полеДиполь ГерцаДиректор антенныКНД (коэффициент направленного действия)Коэффициент усиления антенныМагнитная проницаемостьМагнитное полеОтносительная диэлектрическая проницаемостьРефлектор антенныЭлектрическое полеЭлектромагнитное излучение Сохранить или поделиться

Офсетный угол — это угол между нормалью к плоскости раскрыва рефлектора и осью диаграммы направленности, проще говоря, угол между геометрической и электрической осями антенны. У осесимметричных антенн он равен, естественно, нулю. У офсетных антенн, как правило, составляет 20-28 градусов. Величина офсетного угла не влияет на качество работы антенны, но этот угол очень полезно знать при настройке. Чтобы сориентировать офсетную антенну в вертикальной плоскости, надо установить рефлектор на угол, равный разности угла места спутника и офсетного угла. Офсетный угол не всегда указывается в спецификации, но для подавляющего большинства офсетных антенн он легко находится по формуле:
ф = arccos (В/А),
где ф — офсетный угол;
В и А — размеры рабочей части рефлектора по меньшей и большей осям соответственно.
Например, для антенны с размерами рефлектора 900×1000 мм офсетный угол равен ф = arrcos 0,9 = 25.8°
Из механических характеристик антенны следует обратить внимание на диапазон углов азимута и угла места.

Диапазон азимутов для фиксированных антенн обычно указывается 0-360°. Это означает, что антенну можно повернуть на трубе-опоре в любом направлении, однако на самом деле это возможно далеко не всегда. Например, в спецификациях популярных отечественных антенн марки «СУПРАЛ» (ОАО «АлМет», г. Ульяновск) диаметром 0,6-1,2 метра в спецификации также указан диапазон азимутов 0-360°, на самом деле эти антенны в большинстве случаев монтируются на настенный кронштейн, и угол поворота ограничен конструкцией кронштейна как и офсетный угол. Для антенн с полярной подвеской также указывается диапазон азимутов, в общем случае не соответствующий действительности. Дело в том, что производители указывают угол, на который может поворачиваться антенна на подвеске без актюатора. Угол поворота антенны в реальной системе несколько меньше из-за особенностей работы актюатора. Однако видимая часть геостационарной орбиты всегда вмещается в сектор азимутов меньше 180°, а спутники, интересующие пользователя, располагаются в еще меньшем секторе. Поэтому, как правило, угла поворота полярной подвески как и офсетный угол достаточно или почти достаточно для приема всех нужных спутников.

Лучшая . . Посетите казино Вулкан Россия онлайн на сайте — http://vulkanrussia-casino.info/

Вардрайвинг, он же перехват трафика Wi-Fi, всегда начинается с выбора оборудования. Именно этим мы и займемся: в удобном формате вопросов и ответов разберем, какие девайсы существуют в природе, для каких задач они подходят лучше всего и что взять для начала.

Почему вардрайвинг — это круто?

На сайте iPass есть интересная статистика роста числа хотспотов Wi-Fi во всем мире. Только взгляни на нее: с 2013 года прирост почти на 900%. Примерно ту же картину можно наблюдать на сайте WiGLE, который собирает информацию о публичных точках доступа.

То есть Wi-Fi теперь везде и всюду; в более-менее крупных городах диапазон 2,4 ГГц забит по полной. Москва, кстати, недавно заняла второе место в мире по распространению Wi-Fi в общественных местах, что меня, как жителя столицы и любителя Wi-Fi-хакинга, радует невероятно. О том, какую роль играют SSID сетей MosMetro_Free и MT_FREE, я еще как-нибудь расскажу.

Тем временем Wi-Fi Alliance обещает, что все только начинается. К 2020 году мы увидим 38,5 миллиарда подключенных устройств, постепенно в жизнь войдут новые стандарты, рассчитанные на низкое энергопотребление и IoT; возможно, во что-то выльется перекрестное опыление с LTE в рамках LTE-U и так далее и тому подобное.

В общем, ты уже понял: специалист, который рубит в безопасности всего этого добра, без куска хлеба не останется. 🙂

WARNING

Согласно пункту 4.1.1 стандарта PCI DSS v. 2, требуется регулярно проводить аудит безопасности точек доступа Wi-Fi. Корректно это можно сделать только теми же инструментами, какие используются в реальных атаках. Статья носит информационный характер. Она адресована специалистам по ИБ и тем, кто собирается ими стать.

Какие бывают стандарты Wi-Fi?

Возможно, тебя это удивит, но Wi-Fi может работать не только в частотных диапазонах 2,4 и 5 ГГц. За цифрами 802.11 скрывается целый набор стандартов для общения устройств в беспроводной локальной сети. Несущие частоты бывают самые разные. Вот их список:

Если хочешь еще подтянуть матчасть, то обязательно полистай страницу про IEEE 802.11 в «Википедии», а если этого покажется мало, то переходи к первоисточникам и начинай лопатить сами стандарты.

Работа с радиочастотами законодательно регулируется, верно?

Без лицензии можно работать далеко не на любой частоте. Такие нелицензируемые диапазоны получили название ISM (Industrial, Scientific, Medical). Сетку частот и мощность передатчиков для таких диапазонов регулируют соответствующие органы. Без лицензии можно работать только с учетом местных ограничений.

В России этими вопросами занимается Роскомнадзор, ныне хорошо известный каждому. Но если в интернете Роскомнадзор знаменит благодаря блокировкам, то в области беспроводных сетей он, наоборот, продолжает разрешать и разрешать.

В 2014 году в России было снято ограничение на использование полос радиочастот 2400–2483,5 МГц для устройств малого радиуса действия. В 2015 году был легализован 802.11ac и за компанию — 802.11ad.

На каких частотах можно работать без ограничений?

Без разрешения Роскомнадзора возможно использование следующих диапазонов радиочастот, беспомеховая работа РЭС в которых не обеспечена: 2400–2483,5 МГц для РЭС с максимальной мощностью передатчика 0,1 Вт (каналы 1–13), 5150–5350 МГц для РЭС с максимальной мощностью передатчика 0,2 Вт и только для применения в закрытых помещениях — каналы 36–64, диапазоны UNII-1 и UNII-2.

Диапазон же 5650–5825 МГц (каналы 132–161) пока по-прежнему открыт для воздушных судов, находящихся в полете на высоте не ниже 3000 м. Как ты понимаешь, в неразрешенных частях спектра может обитать разного рода оборудование. Например, радары или релейки. Так что остается ждать улучшений.

Кроме этого, для диапазонов 5150–5350 МГц и 5650–5850 МГц была удвоена максимально допустимая мощность (до 10 мВт) на 1 МГц.

Использование Wi-Fi-адаптеров с мощностью излучения передатчика более 100 мВт требует регистрации в соответствии с пунктом 2 статьи 22 Федерального закона от 07.07.2003 № 126-ФЗ «О связи» и Постановлением Правительства РФ от 12 октября 2004 года № 539 (с изм.).

Какие устройства пригодны для вардрайвинга?

Главный выбор, который тебе предстоит сделать, — это даже не конкретная модель устройства, а его тип. Существуют USB-адаптеры (они же «донглы» и «свистки», а на жаргоне их иногда называют «карточками»), Wi-Fi-роутеры, а также микроконтроллеры с поддержкой Wi-Fi. Ты можешь использовать телефон или планшет, но и тут гораздо лучших результатов можно добиться в связке с внешним адаптером.

Почему многие обходятся USB-адаптером («свистком»)?

Это удобно, привычно и обычно дешевле, чем роутер. Есть немалый выбор хорошо зарекомендовавших себя адаптеров с режимом мониторинга (именно он понадобится тебе для проведения атак). В общем, всем начинающим я бы посоветовал брать «свисток» — он в любом случае еще не раз пригодится.

Нельзя ли ломать Wi-Fi с помощью адаптера, встроенного в ноутбук?

Вынужден тебя огорчить: чипы, которые ставят в ноутбуки, обычно нельзя переключить в режим мониторинга, так что и говорить тут не о чем. И даже если бы это было возможно, дальность приема встроенной антенны в ноутбуке обычно невелика, а внешнюю подключать некуда.

С чего начать выбор адаптера?

Продолжение доступно только участникам

Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте

Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку!

Вариант 2. Открой один материал

Заинтересовала статья, но нет возможности стать членом клуба «Xakep.ru»? Тогда этот вариант для тебя! Обрати внимание: этот способ подходит только для статей, опубликованных более двух месяцев назад.

Я уже участник «Xakep.ru»