Роз’єм має значення: F vs SMA на прикладі антени Marketnet Square

Ми – команда Marketnet – протягом багатьох років виготовляємо антени для підсилення сигналу з класичними F-роз’ємами. Наші антени відмінно працюють, користуються попитом і справді допомагають нашим клієнтам у місцях зі слабким покриттям. Але ми не звикли зупинятись на місці та завжди прагнемо удосконалити наші пристрої, щоб зробити власний продукт ще кращим. Здавалося б, дрібниця – роз’єм. Проте саме ця деталь виявилася ключем до підвищення ефективності, тому антени MARKETNET Square та MARKETNET Maxi MIMO вже виробляються з оновленим конектором SMA.

Ми замінили F-роз’єм на SMA і провели власні тести на антені Marketnet Square. Результати приголомшили: приріст сигналу склав у середньому від 3 до 5 дБ залежно від частоти. З детальними результатами та конкретними цифрами якого ви можете ознайомитись у цій статті. І це не просто сухі цифри – у реальних умовах такий приріст може стати вирішальним, особливо там, де сигнал і так слабкий.

Чому так сталося? F-роз’єм спочатку створювався для телебачення та кабелів із низькими частотами. У LTE-діапазонах він працює не так ефективно: виникають додаткові втрати, а узгодження імпедансу не завжди ідеальне. SMA – це зовсім інший рівень.

Це професійний роз’єм, який спеціально розроблений для високих частот і стабільної роботи у діапазонах до кількох гігагерц. Він має кращий контакт, менший опір у місці з’єднання та чітке узгодження з 50-омним кабелем і антеною. Простіше кажучи, суттєво підвищився рівень стабільності на роз’ємі і доходить до приймача «у повній силі». В результаті з’явились додаткові децибели, яких так бракує в складних умовах.

Ми вже впровадили оновлення у виробництво, і всі антени тепер оснащуються SMA-роз’ємами. Нова конструкція довела свою ефективність на практиці. 

Коротко про головне: поняття dBi, dB та як виміряти потужність антени?

Щоб краще зрозуміти суть проведеного експерименту та правильно оцінити отримані результати, варто звернутися до базових теоретичних аспектів. Саме короткий огляд теорії допоможе пояснити, чому заміна роз’єму дала настільки відчутний ефект.

Що таке dBi?

dBi – означає підсилення антени в децибелах щодо ізотропного джерела (ідеальної точки, що випромінює однаково на всі боки). Це абсолютна величина підсилення антени, а не відносна. Чим більше показник dBi, тим сильніший вже спрямований промінь, тим далі можна «дотягнутись» сигналом.

Що таке dB?

dB (децибел) – це просто одиниця виміру відношення потужностей чи напруг у логарифмічній шкалі. В антенах dB сам собою неповний, бо завжди має бути уточнення відносно чого він вимірюється – наприклад, dBi (підсилення відносно ізотропного джерела) чи dBd (підсилення відносно диполя).

Проста аналогія:

• dB – це як сказати цей звук голосніше в 2 рази».
• dBi – це як сказати «цей динамік голосніше на 6 дБ в порівнянні з ідеальним сферичним динаміком».

Що таке чутливість антени?

Чутливість – це найнижчий рівень сигналу, за якого приймач ще здатний коректно розпізнавати та декодувати дані із заданою якістю (як правило, з урахуванням певної ймовірності помилок – BER, FER тощо). Якщо фактичний сигнал вищий за цей поріг, пристрій працює стабільно, а коли нижчий – з’являються перебої або повна втрата зв’язку.

Як виміряти потужність антени?

Наші інженери вимірювали потужність антени за допомогою аналізатора спектра. Для цього ми підключали антену до передавача, а навпроти встановлювали таку ж саму антену, що працювала в режимі приймача. Один комплект фактично передавав сигнал, інший його приймав. Далі аналізатор фіксував рівень електромагнітного поля. Для точності ми порівнювали ці показники з еталонною антеною (антена на вихід, без приймача) – вона підключалась безпосередньо до виходу, без приймача. Саме так ми змогли визначити реальне підсилення нашої антени.

За послідовністю дій це виглядає так: 

1. Підключення передавача. Тестовану антену під’єднуємо безпосередньо до генератора сигналу (передавача).
2. Формування випромінювання. Навпроти, на фіксованій відстані, встановлюємо ідентичну антену, що працює в режимі приймача.
3. Фіксація результатів. Сигнал з приймальної антени подаємо на аналізатор спектра, де реєструємо рівень електромагнітного поля.
4. Порівняння з еталоном. Для коректної оцінки використовуємо еталонну антену, підключену безпосередньо на вихід, без приймача. Це дозволяє визначити реальний коефіцієнт підсилення тестованої антени відносно контрольного зразка.

Фактично ми оцінюємо, наскільки ефективно одна антена випромінює сигнал, а інша його приймає. Зафіксоване значення потужності визначається сумарним підсиленням обох антен, тож у випадку використання ідентичних зразків можна обчислити їхній коефіцієнт підсилення. Вимірювання здійснювали за допомогою аналізатора SYSJOYNT SV4401A. Детальніше про цей прилад можна дізнатися за посиланням.

Короткі характеристики аналізатора SYSJOYNT SV4401A Frequency Range: 50k~4.4GHz

• S11 Dynamic Range：50dB
• S21 Dynamic Range：75dB
• Screen：7-inch IPS 1024*600
• Battery Life：4 hours

Формула Фріса (Friis Transmission Equation)

Формула Фріса (Friis Transmission Equation) – це базове рівняння радіотехніки, яке описує, яку потужність отримує приймальна антена від передавальної на певній відстані. Вона враховує випромінену потужність, коефіцієнти підсилення обох антен та втрати сигналу під час поширення у вільному просторі. По суті, ця формула дозволяє зрозуміти, як зменшується сигнал у процесі передачі, і використовується для розрахунку ефективності антенних систем, вибору оптимальної відстані між антенами та визначення параметрів зв’язку в бездротових мережах.

Значення:

• Pr – отримана потужність (dBm)
• Pt – потужність передавача (dBm)
• Lp – втрати у вільному просторі (у dB)
• G – підсилення кожної антени (dBi)

Розрахунок втрат у вільному просторі:

• d – відстань між антенами в км
• f – частота в МГц

Наша кінцева мета полягала не в тому, щоб визначити потужність вже встановлених антен, а у тому, щоб за допомогою тесту показати, яка антена працює ефективніше та наскільки зростає її підсилення залежно від типу інтерфейсу (F чи SMA). Саме тому потужність генератора (у нашому випадку вона становила 12 дБм) та втрати в просторі ми не враховували.

Втрати по довжині кабелю також однакові в обох антен, так як використовується один і той же тип кабелю і однакова довжина (а саме 10м).

Якщо уважно подивитися на формули, можна побачити, що на кожній довжині хвилі (тобто кожної частоти) розрахункова потужність (підсилення) буде різною. І це справді так. Конструкція активної частини антени взаємодіє з хвилями різної довжини по-різному, тому на одній частоті вона може працювати трохи ефективніше, ніж на іншій.

Коли в назві антени ви бачите, наприклад:

«4G антена панельна MARKETNET Square SMA з підсиленням 21 dBi, діапазони 800/900/1800/2100/2600 МГц», – варто розуміти, що 21 dBi – це середнє значення підсилення по всіх зазначених діапазонах. Саме такий середній показник ми й вказуємо у характеристиках наших антен.

Деякі виробники вказують не середнє, а максимальне підсилення, отримане лише в одному з діапазонів. У такому випадку все залежить від професійної етики та чесності у поданні характеристик.

Експеримент з 4G антеною Marketnet Square: різні кабелі та роз’єми

В ході тестування ми проводимо розрахунки, порівнюючи вхідний та вихідний сигнал. Тобто одна антена передає сигнал, а інша його приймає. Довжину кабелю у всіх випадках беремо однакову – 10 метрів. На наведеному нижче скріншоті можна побачити показники приймальної антени.

Щоб зрозуміти, як працює антена, варто подивитися на два ключові показники:

КСВ (коефіцієнт стоячої хвилі) – це, по суті, показник узгодженості антени з кабелем і приймачем. Якщо він низький – сигнал майже не втрачається, якщо високий – частина сигналу «відбивається назад» і ефективність падає.

Еквівалентне підсилення (чутливість системи) – показує, наскільки добре антена реально приймає сигнал у різних діапазонах. Це вже не суха теорія, а фактичний результат роботи антени.

Разом ці дані дають чітку картину: гарне узгодження означає стабільний сигнал і відчутний приріст у швидкості та якості зв’язку.

На графіку: жовта крива відображає КСВ (коефіцієнт стоячої хвилі), синя – виміряний відгук прийому або еквівалентне підсилення тракту (умовно «чутливість» приймальної системи). Права шкала відповідає значенням КСВ, ліва – рівню підсилення/сигналу в дБ. Такий формат подачі даних дозволяє наочно оцінити, як узгодження (КСВ) впливає на реальний виграш по сигналу у робочих діапазонах. 

На різних частотах ці показники відрізняються і постійно коливаються (не суттєво – у межах 2–3 дБ). Це абсолютно природно, адже вимірювання проводилися не в ідеальних лабораторних умовах, а в реальному середовищі. Тому ми взяли середні значення, зафіксовані на цьому скріншоті, і використовуємо їх як базову точку для подальшого порівняння. Далі ми підключаємо передавальну антену – ту ж Marketnet Square, але вже з різними кабелями та роз’ємами.

№1. Кабель RG-58 з роз'ємом F

Що ми маємо в результаті: є дві антени з однаковим підсиленням по 19 dBi.

У діапазоні 900 МГц початковий рівень становив 84 дБ, а на виході ми отримали 45 дБ.

Оскільки у схемі задіяні дві підсилювальні антени, різницю у підсиленні ділимо навпіл.

Позначимо приймальну антену як А, а передавальну як B.

Маємо просту формулу:

(А – B) : 2

(84 – 45) : 2 = 19,5

Звідси випливає, що коефіцієнт підсилення однієї антени становить близько 19 дБ.

Одразу уточнимо: і в цьому, і в подальших розрахунках під словом «антена» ми маємо на увазі весь комплект – сама антена, з’єднувальні гайки та 10 метрів кабелю.

Зрозуміло, що на інших частотах результати можуть відрізнятися. Це пояснюється тим, що використовуються різні матеріали (роз’єми та кабелі), а вони мають власні характеристики. Наприклад, кабель на різних частотах створює різні втрати сигналу залежно від довжини.

Примітка:

Затухання сигналу для FinMark RG-58-TC90:

• 900 МГц: ~6.3 дБ / 10 м (из 66.2·√(900/1000) ≈ 62.9 дБ/100 м).
• 1800 МГц: ~8.9 дБ / 10 м (из 66.2·√(1.8) ≈ 88.8 дБ/100 м).
• 2600 МГц: ~10.7 дБ / 10 м (из 66.2·√(2.6) ≈ 106.8 дБ/100 м). 

У діапазоні 1800 ми отримали підсилення всього 9 дБ, тоді як на 2600 воно склало близько 12 дБ.

Виникає логічне питання: чому така різниця між 1800 і 2600, адже зі зростанням частоти, навпаки, затухання сигналу в кабелі збільшується?

Розглянемо приклад із діапазоном 1800 за маркером «2». Він у нас встановлений на середній частоті – 1807 МГц. Сам діапазон має смугу прийому 1710–1785 МГц і передачі 1805–1880 МГц. Якщо зміщувати маркер «2» вліво чи вправо, значення підсилення змінюється на 2–5 дБ. При цьому слід врахувати і початкову похибку вимірювань у межах 2–3 дБ, тож абсолютно точне значення визначити неможливо. Показник залежить від конкретної частоти, тоді як ми розглядаємо увесь діапазон загалом. Крім того, варто пам’ятати, що випробування проводилися не в ідеальних лабораторних умовах.

№2. Кабель RG-58 з роз'ємом SMA

Як бачимо, різниця між роз’ємами на одному й тому самому кабелі виявилася досить відчутною.

• У діапазоні 900 МГц антена з роз’ємом SMA показала 25 дБ проти 19 дБ на F-роз’ємах.
• У діапазоні 1800 МГц результат для SMA склав 12 дБ, тоді як для F – лише 9 дБ.
• У діапазоні 2600 МГц ми отримали 15 дБ для SMA та 12 дБ для F.

Звідси можна зробити висновок, що антена з виходами SMA тієї ж самої конструкції має однозначно кращі показники підсилення сигналу, ніж з роз’ємами F, у всіх трьох діапазонах – 900/1800/2600 МГц.

Далі подивимося, що відбудеться, якщо замінити кабель на такий, що має менше затухання на цих частотах. Для порівняння ми взяли кабель 5D-FB.

№3. Кабель 5D-FB з роз'ємом SMA

• 900 діапазон на SMA з кабелем 5D-FB видав нам 27дб > 19 дб на F роз'ємах з кабелем RG 58 50 Ом.
• 1800 діапазон SMA з кабелем 5D-FB видав нам 17дб > 9 дб на F роз'ємах з кабелем RG 58 50 Ом.
• 2600 діапазон SMA з кабелем 5D-FB видав нам 20дб > 12 дб на F роз'ємах з кабелем RG 58 50 Ом.

Висновок: в якому варіанті та з яким кабелем антена 4G Marketnet Square найефективніша?

Нагадуємо: +8 дБ ⇒ збільшення потужності ≈ 10^(8/10) = 6.3 рази; за польовими величинами (напруга/поле) ≈ ×2.5.

Отже, перехід на тракт SMA + 5D-FB (50 Ω) забезпечує стабільний приріст сигналу приблизно на +8 дБ у всіх LTE-діапазонах. Це суттєва перевага, яка:

• Підвищує запас рівня сигналу на межі покриття. Це означає, що навіть у місцях, де сигнал дуже слабкий, ви матимете додатковий «резерв» у кілька децибел. Простими словами – інтернет не обірветься на порозі зони покриття, а працюватиме стабільніше.
• Покращує стійкість і швидкість з’єднання (зростають шанси утримувати більш високі модуляції та профілі). Інакше кажучи, антена дозволяє частіше «тримати» максимальні швидкості передачі даних. Тобто в реальних умовах ваш інтернет буде не лише стабільним, а й швидшим.
• Зменшує чутливість до перешкод і втрат у фідері. Простими словами – якщо поруч є завади або сигнал слабшає через довгий кабель, антена з таким трактом краще з цим справляється, і якість зв’язку падає значно менше.

Чому так відбувається:

• Кабель 5D-FB має менші питомі втрати, що особливо помітно у діапазонах 1800/2600 МГц.
• SMA-роз’єми забезпечують стабільніший контакт і значно менший перехідний опір, ніж комбінація F-роз’ємів із перехідниками.

На великих довжинах кабелю перевага стає ще відчутнішою, насамперед у діапазонах 1800/2600 МГц, де втрати у фідері зростають швидше.