Первое правило: антенна должна соответствовать рабочей частоте

На маркетплейсах продаются внешне практически одинаковые антенны для 433, 868, 915 МГц, GSM, LTE и других диапазонов.

По внешнему виду определить их рабочую частоту нельзя.

Например, антенна, нормально согласованная около 915 МГц, не обязана показывать такой же результат на частотах российского sub-GHz диапазона. Иногда полоса антенны достаточно широкая, иногда разница оказывается существенной.

Поэтому надписи:

• LoRa;
• 868 MHz;
• 915 MHz;
• 868/915 MHz;
• 10 dBi;

на карточке товара недостаточно.

Лучше, когда производитель публикует график S11 или VSWR по частоте и можно увидеть, где реально находится рабочий минимум антенны.

Почему частота связана с размером антенны

Размер многих простых антенн связан с длиной радиоволны.

Для частоты около 868 МГц длина волны составляет примерно 34,5 см.

Четверть волны в свободном пространстве:

Именно поэтому простая четвертьволновая антенна для этого диапазона имеет физический размер порядка нескольких сантиметров.

Но нельзя просто отрезать любой провод ровно на 86 мм и считать вопрос закрытым. Реальная электрическая длина зависит от конструкции, диаметра проводника, диэлектрика, корпуса, противовеса и окружающих предметов.

Формула помогает понять порядок размеров, а окончательную настройку проверяют измерением.

Что такое КСВ и почему о нём все говорят

КСВ, или VSWR, показывает качество согласования антенны с радиотрактом.

Если тракт рассчитан на 50 Ом, а антенна плохо согласована, часть мощности не уходит в антенну так, как предполагалось, а отражается обратно.

При КСВ 2:1 отражается примерно 11% подведённой мощности. При КСВ 3:1 отражённая мощность составляет уже около 25%.

Но здесь есть очень важная ловушка.

Поэтому две антенны с КСВ 1,3 могут иметь совершенно разную дальность.

Что такое S11

На NanoVNA и в профессиональных datasheet часто вместо КСВ показывают параметр S11.

Он также характеризует отражение сигнала от входа антенны, только выражается обычно в децибелах.

Чем глубже провал S11 на нужной частоте, тем лучше согласована антенна в этой точке.

Но действует то же правило: хороший S11 является необходимым признаком нормального согласования, но не гарантирует хорошей эффективности излучения.

Как проверить LoRa-антенну NanoVNA

Для практической проверки антенн удобно использовать векторный анализатор цепей, например NanoVNA или аналогичный прибор.

Логика измерения следующая:

1. откалибровать VNA в используемом диапазоне частот;
2. подключить антенну в той конфигурации, в которой она будет работать;
3. посмотреть график S11 или VSWR;
4. найти частоту наилучшего согласования;
5. проверить КСВ непосредственно в рабочей части диапазона;
6. повторить измерение после установки в корпус или на реальное место.

Последний пункт очень важен.

Антенна может красиво выглядеть на VNA, лежа отдельно на деревянном столе, а после установки рядом с аккумулятором, металлическим корпусом или монтажной пластиной её резонанс сместится.

Калибровать нужно до места подключения антенны

Если между анализатором и антенной используется переходник или кабель, желательно, чтобы плоскость калибровки соответствовала реальному месту измерения.

Иначе часть того, что показывает прибор, относится уже не только к антенне, но и к кабелю с переходниками.

Не держите антенну рукой при сравнении

Тело человека влияет на небольшую sub-GHz антенну. Если при одном измерении вы держите её рукой, а при другом нет, сравнение становится некорректным.

Лучше измерять антенну в условиях, максимально похожих на реальную установку.

Что означает 2, 5, 8 или 10 dBi

dBi описывает усиление антенны относительно идеального изотропного излучателя.

Но антенна не создаёт дополнительную энергию.

Увеличение gain происходит за счёт перераспределения излучения по направлениям.

У вертикальной всенаправленной антенны с большим усилением диаграмма обычно становится более «плоской»: меньше энергии уходит вверх и вниз, больше концентрируется около горизонта.

Поэтому антенна с большим реальным усилением не обязана выигрывать во всех направлениях.

Почему «10 dBi» за несколько сотен рублей вызывает вопросы

Качественная всенаправленная антенна с высоким усилением требует соответствующей конструкции и имеет определённые физические размеры.

Если компактная антенна длиной несколько сантиметров заявлена одновременно как:

• 433/868/915 МГц;
• всенаправленная;
• 10 или 12 dBi;
• без графиков S11;
• без диаграммы направленности;
• без указания условий измерения;

такие характеристики не стоит принимать на веру.

Для практического Meshtastic часто лучше хорошо настроенная честная антенна с небольшим усилением, чем неизвестная «10 dBi».

Кабель может съесть преимущество хорошей антенны

Одна из самых частых ошибок стационарных LoRa-узлов выглядит так:

Чем выше частота и длиннее кабель, тем заметнее его затухание. Конкретная величина зависит от марки кабеля.

Поэтому сравнивать нужно не только gain антенны, а весь тракт:

Если антенна добавила несколько децибел усиления, а длинный кабель и переходники потеряли сопоставимую величину, реального выигрыша почти не останется.

Лучше поднять радио вместе с антенной

Для стационарного ретранслятора часто технически выгоднее разместить сам LoRa-узел недалеко от антенны и подвести к нему питание или интерфейс, чем тянуть длинный высокочастотный кабель вниз.

Но наружная установка требует:

• герметичного корпуса;
• защиты кабельных вводов;
• учёта температуры;
• защиты от конденсата;
• правильного питания;
• учёта грозовых рисков.

Установка антенн на кровлях и мачтах требует отдельного внимания к молниезащите и уравниванию потенциалов. Наружная антенна не должна устанавливаться рядом с воздушными линиями электропередачи.

SMA, RP-SMA и U.FL: почему разъём может оказаться не тем

У LoRa-оборудования часто встречаются:

• SMA;
• RP-SMA;
• U.FL;
• IPEX;
• небольшие коаксиальные пигтейлы.

SMA и RP-SMA внешне очень похожи, но отличаются центральным контактом.

Покупать антенну только по фотографии разъёма рискованно.

Нужно проверить:

1. тип корпуса разъёма;
2. где находится центральный штырь;
3. пол устройства;
4. пол антенны;
5. наличие RP-варианта.

U.FL значительно компактнее и предназначен для подключения небольшого коаксиального пигтейла. Такой разъём не рассчитан на постоянное грубое подключение и отключение.

Переходники тоже имеют значение

Один качественный короткий переходник обычно не превращает хороший тракт в плохой.

Но конструкция из:

создаёт дополнительные потери и потенциальные точки неисправности.

Чем проще высокочастотный тракт, тем легче его диагностировать.

Высота установки часто важнее dBi

Для LoRa огромное значение имеет геометрия радиолинии.

Поднять антенну из комнаты на крышу часто полезнее, чем заменить условную 2 dBi на 5 dBi, оставив её за железобетонной стеной.

На распространение влияют:

• высота над землёй;
• рельеф;
• здания;
• железобетон;
• металлическая кровля;
• деревья;
• транспорт;
• положение самой антенны.

Для стационарного узла полезно стремиться не просто к максимальной высоте, а к хорошей радиовидимости в направлении нужных участников сети.

Зона Френеля: почему одной прямой видимости мало

Даже если между двумя антеннами визуально нет здания, радиолиния может проходить слишком близко к крыше, земле, холму или деревьям.

Вокруг прямой линии между передатчиком и приёмником существует область, называемая зоной Френеля.

Чем сильнее она перекрыта препятствиями, тем больше возможное ослабление сигнала.

Именно поэтому добавление нескольких метров высоты иногда резко улучшает связь, хотя визуально «и раньше всё было видно».

Вертикальная или горизонтальная установка

Поляризация антенн передатчика и приёмника должна по возможности совпадать.

Если большинство mesh-узлов использует вертикально ориентированные штыревые антенны, стационарную omni-антенну тоже логично устанавливать вертикально.

Карманный узел постоянно меняет положение, поэтому идеального совпадения добиться невозможно. Для стационарных ретрансляторов положение уже можно контролировать.

Почему металл рядом с антенной меняет её работу

Антенна не существует отдельно от окружающей среды.

На её параметры могут заметно влиять:

• металлический корпус;
• аккумулятор;
• печатная плата;
• монтажная стойка;
• кровля;
• мачта;
• водосточная труба;
• кабель;
• тело человека.

Поэтому измеренная отдельно антенна и та же антенна после монтажа в устройство могут иметь разные параметры.

Что такое противовес

Некоторым типам штыревых антенн для нормальной работы необходима вторая часть антенной системы, например проводящая поверхность или радиалы.

Если маленькая четвертьволновая антенна рассчитана на работу с определённым ground plane, её установка на пластиковую коробку без предусмотренного противовеса может изменить характеристики.

Поэтому нельзя переносить конструкцию автомобильной или базовой антенны на произвольный пластиковый корпус и ожидать идентичного результата.

Встроенная PCB-антенна тоже может работать хорошо

Внешний SMA-разъём сам по себе не является признаком лучшей радиосвязи.

Грамотно спроектированная встроенная антенна может давать хороший результат, особенно у компактного мобильного устройства.

Её преимущество:

• нет внешнего переходника;
• нет длинного кабеля;
• конструкция заранее настроена производителем;
• меньше риск механического повреждения.

Недостаток в том, что корпус, рука пользователя и положение устройства сильнее влияют на диаграмму.

Какая антенна нужна для стационарного Meshtastic или MeshCore Repeater

Для стационарной инфраструктурной точки требования отличаются от карманного устройства.

Главные приоритеты:

1. правильная рабочая частота;
2. реальное согласование;
3. подходящая диаграмма направленности;
4. качественная установка;
5. минимальные потери в фидере;
6. высота и радиовидимость;
7. механическая устойчивость;
8. защита от влаги.

Для покрытия территории вокруг точки обычно нужна вертикальная всенаправленная антенна.

Если требуется связать два конкретных направления, можно рассматривать направленную антенну. Но она уже не создаёт равномерного кругового покрытия.

MeshCore и Meshtastic требуют разных антенн?

Нет, если оборудование работает в одной и той же радиочастотной области.

Антенне всё равно, какие пакеты передаёт LoRa-радиомодуль: MeshCore, Meshtastic или другой протокол.

Она выбирается по:

• частоте;
• импедансу;
• типу разъёма;
• необходимому усилению;
• диаграмме направленности;
• условиям установки.

Различия между MeshCore и Meshtastic находятся на уровне протокола и сетевой логики, а не в базовой физике антенны.

Как честно сравнить две антенны

Плохой тест:

• вчера проверить штатную антенну дома;
• сегодня выйти на улицу с новой;
• увидеть другой RSSI;
• решить, что одна лучше другой.

Изменились условия, ориентация, люди вокруг, положение устройства и радиосреда.

Правильнее использовать контролируемую схему.

Range Test в Meshtastic

Для подобных экспериментов в Meshtastic предусмотрен модуль Range Test.

Он позволяет одному устройству периодически отправлять тестовые сообщения, а другому фиксировать принятые пакеты. Это значительно полезнее субъективной проверки по одному сообщению.

При сравнении антенн желательно использовать одинаковый маршрут и одинаковые настройки.

RSSI или SNR: на что смотреть

Для LoRa полезны оба параметра.

RSSI

Характеризует уровень принятого сигнала.

SNR

Показывает отношение полезного сигнала к уровню шума.

LoRa способна принимать сигнал даже при отрицательном SNR, поэтому оценивать радиолинию только по RSSI неправильно.

Для сравнения антенн лучше анализировать:

• средний RSSI;
• средний SNR;
• разброс значений;
• количество потерянных сообщений;
• стабильность ACK;
• повторяемость результатов.

Почему новая антенна работает хуже штатной: 12 причин

1. Она настроена на другую частоту. Надпись LoRa не определяет диапазон.
2. Характеристики dBi выдуманы или сильно завышены.
3. Высокий КСВ на реально используемой частоте.
4. После установки в корпус резонанс сместился.
5. Нет необходимого противовеса.
6. Плохой U.FL или SMA-переходник.
7. Слишком длинный тонкий коаксиальный кабель.
8. Антенна установлена рядом с металлом.
9. Неправильная поляризация.
10. Диаграмма антенны с высоким усилением не подходит под расположение соседних узлов.
11. Повреждён кабель или центральный контакт разъёма.
12. Сравнение проводилось в разных условиях.

Почему нельзя передавать без антенны

Включать LoRa-передатчик на передачу без подключённой антенны не следует.

При сильно несогласованной нагрузке часть энергии отражается обратно в выходной каскад передатчика. Несмотря на сравнительно небольшую мощность типичных LoRa-устройств, это ненормальный режим для радиотракта.

Поэтому сначала подключается подходящая антенна, затем проводится передача.

Как выбирать антенну перед покупкой

У нормальной карточки или datasheet желательно найти:

• точный рабочий диапазон частот;
• импеданс 50 Ом;
• VSWR;
• график S11 или VSWR;
• реальное усиление в dBi;
• диаграмму направленности;
• поляризацию;
• тип разъёма;
• длину и тип кабеля, если он есть;
• условия наружной эксплуатации.

Если продавец сообщает только «LoRa 868 10 dBi Long Range», технической информации практически нет.

Что лучше для карманного Meshtastic

Для переносного устройства обычно важны:

• компактность;
• механическая прочность;
• нормальное согласование;
• достаточно широкая диаграмма;
• отсутствие длинного кабеля.

Поэтому короткая качественная антенна иногда оказывается практичнее длинной «базовой» модели.

Что лучше для дома

Если устройство остаётся внутри дома, сначала полезнее найти хорошее место установки:

• выше;
• ближе к наружной стене или окну;
• дальше от металлического щита;
• дальше от массивной бытовой техники;
• не внутри металлического шкафа.

Только после этого имеет смысл оценивать внешнюю антенну.

Что лучше для крыши или мачты

Для инфраструктурной точки обычно нужен комплексный подход:

• качественная наружная антенна;
• минимальный фидер;
• герметичный корпус узла;
• правильное питание;
• обслуживаемые разъёмы;
• учёт молниезащиты;
• надёжное крепление;
• проверка покрытия после монтажа.

Высота ради высоты тоже не является целью. Нужно получить полезную радиовидимость именно на требуемую территорию.

Антенна, dBi и допустимая мощность в России

Усиление антенны нельзя рассматривать отдельно от допустимой эффективной излучаемой мощности.

Упрощённо:

Расчёт выполняется в логарифмических единицах, но главный принцип простой: установка более высокоэффективной антенны способна увеличить эффективную излучаемую мощность, даже если значение TX Power в прошивке осталось прежним.

Поэтому нельзя рассуждать так:

На территории России для соответствующих устройств используются, в частности, полосы:

• 864-865 МГц;
• 866-868 МГц;
• 868,7-869,2 МГц.

Для ряда устройств в этих полосах нормативные условия предусматривают максимальную эффективную излучаемую мощность 25 мВт, а также ограничения по коэффициенту заполнения или применение механизма прослушивания канала. Условия необходимо проверять для конкретного назначения и режима работы оборудования.

Не следует выбирать другой регион в Meshtastic или MeshCore только для получения большей мощности или использования неподходящей частоты.

Итог: что действительно увеличивает дальность LoRa

Если расположить факторы примерно по практической значимости, для большинства стационарных узлов получится такой список:

1. правильное место установки;
2. высота и радиовидимость;
3. антенна, настроенная на нужную частоту;
4. нормальный КСВ;
5. минимальные потери кабеля;
6. правильная поляризация;
7. подходящая диаграмма направленности;
8. и только затем гонка за дополнительными dBi.

Хорошая LoRa-антенна необязательно должна быть огромной, дорогой или иметь двузначное число dBi.

Она должна быть предсказуемой: работать на нужной частоте, иметь подтверждённые характеристики и быть правильно установлена.

Для Meshtastic и MeshCore это особенно важно, потому что стабильная инфраструктурная точка приносит mesh-сети намного больше пользы, чем узел, который однажды принял пакет на рекордном расстоянии, но не обеспечивает устойчивую двустороннюю связь.