Разъем имеет значение: F vs SMA на примере антенны Marketnet Square

Мы – команда Marketnet – на протяжении многих лет производим антенны для усиления сигнала с классическими F-разъемами. Наши антенны отлично работают, пользуются спросом и действительно помогают нашим клиентам в местах со слабым покрытием. Но мы не привыкли останавливаться на достигнутом и всегда стремимся усовершенствовать наши устройства, чтобы сделать продукт еще лучше. Казалось бы, мелочь – разъем. Однако именно эта деталь оказалась ключом к повышению эффективности, поэтому антенны MARKETNET Square и MARKETNET Maxi MIMO уже производятся с новым коннектором SMA.

Мы заменили F-разъем на SMA и провели собственные тесты на антенне Marketnet Square. Результаты впечатлили: прирост сигнала составил в среднем от 3 до 5 дБ в зависимости от частоты. С подробными результатами и конкретными цифрами вы можете ознакомиться в этой статье. И это не просто сухие цифры – в реальных условиях такой прирост может оказаться решающим, особенно там, где сигнал и без того слабый.

Почему так произошло? F-разъем изначально создавался для телевидения и кабелей с низкими частотами. В LTE-диапазонах он работает не так эффективно: появляются дополнительные потери, а согласование импеданса не всегда идеальное. SMA – это совсем другой уровень.

Это профессиональный разъем, специально разработанный для высоких частот и стабильной работы в диапазонах до нескольких гигагерц. Он обеспечивает лучший контакт, меньшее сопротивление в месте соединения и точное согласование с 50-омным кабелем и антенной. Проще говоря, существенно повысился уровень стабильности на разъеме, и сигнал доходит до приемника «в полной силе». В результате появились дополнительные децибелы, которых так не хватает в сложных условиях.

Мы уже внедрили обновление в производство, и все антенны теперь оснащаются SMA-разъемами. Новая конструкция доказала свою эффективность на практике.

Коротко о главном: понятия dBi, dB и как измерить мощность антенны?

Чтобы лучше понять суть проведенного эксперимента и правильно оценить полученные результаты, стоит обратиться к базовым теоретическим аспектам. Именно краткий обзор теории поможет объяснить, почему замена разъема дала столь ощутимый эффект.

Что такое dBi?

dBi – означает усиление антенны в децибелах относительно изотропного источника (идеальной точки, излучающей одинаково во все стороны). Это абсолютная величина усиления антенны, а не относительная. Чем больше показатель dBi, тем уже направлен луч и тем дальше можно «дотянуться» сигналом.

Что такое dB?

dB (децибел) – это просто единица измерения отношения мощностей или напряжений в логарифмической шкале. В антеннах dB сам по себе неполный, так как всегда должно быть уточнение относительно чего он измеряется – например, dBi (усиление относительно изотропного источника) или dBd (усиление относительно диполя).

Простая аналогия:

• dB – это как сказать: «этот звук громче в 2 раза».
• dBi – это как сказать: «этот динамик громче на 6 дБ по сравнению с идеальным сферическим динамиком».

Что такое чувствительность антенны?

Чувствительность – это самый низкий уровень сигнала, при котором приемник ещё способен корректно распознавать и декодировать данные с заданным качеством (как правило, с учетом определенной вероятности ошибок – BER, FER и т. п.). Если фактический сигнал выше этого порога – устройство работает стабильно, а если ниже – появляются перебои или полная потеря связи.

Как измерить мощность антенны?

Наши инженеры измеряли мощность антенны с помощью анализатора спектра. Для этого мы подключали антенну к передатчику, а напротив устанавливали такую же самую антенну, работающую в режиме приемника. Один комплект фактически передавал сигнал, другой его принимал. Далее анализатор фиксировал уровень электромагнитного поля. Для точности мы сравнивали эти показатели с эталонной антенной (антенна на выход, без приемника) – она подключалась напрямую к выходу. Именно так мы смогли определить реальное усиление нашей антенны.

Последовательность действий выглядела так:

1. Подключение передатчика. Тестируемую антенну соединяем напрямую с генератором сигнала (передатчиком).
2. Формирование излучения. Напротив, на фиксированном расстоянии, устанавливаем идентичную антенну, работающую в режиме приемника.
3. Фиксация результатов. Сигнал с приемной антенны подаем на анализатор спектра, где регистрируем уровень электромагнитного поля.
4. Сравнение с эталоном. Для корректной оценки используем эталонную антенну, подключенную напрямую к выходу, без приемника. Это позволяет определить реальный коэффициент усиления тестируемой антенны относительно контрольного образца.

Фактически мы оцениваем, насколько эффективно одна антенна излучает сигнал, а другая его принимает. Зафиксированное значение мощности определяется суммарным усилением обеих антенн, поэтому в случае использования идентичных образцов можно вычислить их коэффициент усиления. Измерения проводились с помощью анализатора SYSJOYNT SV4401A. Подробнее об этом приборе можно узнать по ссылке.

Краткие характеристики анализатора 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 Фриса (Friis Transmission Equation)

Формула Фриса (Friis Transmission Equation) – это базовое уравнение радиотехники, которое описывает, какую мощность получает приемная антенна от передающей на определенном расстоянии. Оно учитывает излучаемую мощность, коэффициенты усиления обеих антенн и потери сигнала при распространении в свободном пространстве. По сути, эта формула позволяет понять, как уменьшается сигнал в процессе передачи, и используется для расчета эффективности антенных систем, выбора оптимального расстояния между антеннами и определения параметров связи в беспроводных сетях.

Значения:

• Pr – полученная мощность (dBm)
• Pt – мощность передатчика (dBm)
• Lp – потери в свободном пространстве (в dB)
• G – усиление каждой антенны (dBi)

Расчет потерь в свободном пространстве:

• d – расстояние между антеннами в км
• f – частота в МГц

Наша конечная цель заключалась не в том, чтобы определить мощность уже установленных антенн, а в том, чтобы с помощью теста показать, какая антенна работает эффективнее и насколько увеличивается ее усиление в зависимости от типа интерфейса (F или SMA). Именно поэтому мощность генератора (в нашем случае она составляла 12 дБм) и потери в пространстве мы не учитывали.

Потери по длине кабеля также одинаковы у обеих антенн, так как используется один и тот же тип кабеля и одинаковая длина (а именно 10 м).

Если внимательно посмотреть на формулы, можно заметить, что на каждой длине волны (то есть на каждой частоте) расчетная мощность (усиление) будет разной. И это действительно так. Конструкция активной части антенны взаимодействует с волнами разной длины по-разному, поэтому на одной частоте она может работать немного эффективнее, чем на другой.

Когда в названии антенны вы видите, например:

«4G антенна панельная MARKETNET Square SMA с усилением 21 dBi, диапазоны 800/900/1800/2100/2600 МГц», – стоит понимать, что 21 dBi – это среднее значение усиления по всем указанным диапазонам. Именно такой средний показатель мы и указываем в характеристиках наших антенн.

Некоторые производители указывают не среднее, а максимальное усиление, полученное лишь в одном из диапазонов. В таком случае все зависит от профессиональной этики и честности в подаче характеристик.

Эксперимент с 4G антенной Marketnet Square: разные кабели и разъемы

В ходе тестирования мы проводим расчеты, сравнивая входной и выходной сигнал. То есть одна антенна передает сигнал, а другая его принимает. Длину кабеля во всех случаях берём одинаковую – 10 метров. На приведенном ниже скриншоте можно увидеть показатели приёмной антенны.

Чтобы понять, как работает антенна, стоит обратить внимание на два ключевых показателя:

КСВ (коэффициент стоячей волны) – это, по сути, показатель согласованности антенны с кабелем и приемником. Если он низкий – сигнал почти не теряется, если высокий – часть сигнала «отражается назад», и эффективность падает.

Эквивалентное усиление (чувствительность системы) – показывает, насколько хорошо антенна реально принимает сигнал в разных диапазонах. Это уже не сухая теория, а фактический результат работы антенны.

Вместе эти данные дают четкую картину: хорошее согласование означает стабильный сигнал и ощутимый прирост в скорости и качестве связи.

На графике: желтая кривая отображает КСВ (коэффициент стоячей волны), синяя – измеренный отклик приема или эквивалентное усиление тракта (условно «чувствительность» приемной системы). Правая шкала соответствует значениям КСВ, левая – уровню усиления/сигнала в дБ. Такой формат подачи данных позволяет наглядно оценить, как согласование (КСВ) влияет на реальный выигрыш по сигналу в рабочих диапазонах.

На разных частотах эти показатели отличаются и постоянно колеблются (незначительно – в пределах 2–3 дБ). Это абсолютно естественно, ведь измерения проводились не в идеальных лабораторных условиях, а в реальной среде. Поэтому мы взяли средние значения, зафиксированные на этом скриншоте, и используем их как базовую точку для дальнейшего сравнения. Далее мы подключаем передающую антенну – ту же Marketnet Square, но уже с разными кабелями и разъемами.

№1. Кабель RG-58 с разъемом F

Что мы имеем в результате: есть две антенны с одинаковым усилением по 19 dBi.

В диапазоне 900 МГц начальный уровень составлял 84 дБ, а на выходе мы получили 45 дБ.

Поскольку в схеме задействованы две усиливающие антенны, разницу в усилении делим пополам.

Обозначим приемную антенну как А, а передающую как B.

Имеем простую формулу:

(А – B) : 2

(84 – 45) : 2 = 19,5

Отсюда следует, что коэффициент усиления одной антенны составляет около 19 дБ.

Сразу уточним: и в этом, и в последующих расчётах под словом «антенна» мы имеем в виду весь комплект – сама антенна, соединительные гайки и 10 метров кабеля.

Понятно, что на других частотах результаты могут отличаться. Это объясняется тем, что используются разные материалы (разъемы и кабели), а они имеют собственные характеристики. Например, кабель на разных частотах создает разные потери сигнала в зависимости от длины.

Примечание:

Затухание сигнала 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).

В диапазоне 1800 мы получили усиление всего 9 дБ, тогда как на 2600 оно составило около 12 дБ.

Возникает логичный вопрос: почему такая разница между 1800 и 2600, ведь с ростом частоты, наоборот, затухание сигнала в кабеле увеличивается?

Рассмотрим пример с диапазоном 1800 по маркеру «2». Он у нас установлен на средней частоте – 1807 МГц. Сам диапазон имеет полосу приёма 1710–1785 МГц и передачи 1805–1880 МГц. Если смещать маркер «2» влево или вправо, значение усиления меняется на 2–5 дБ. При этом следует учитывать и начальную погрешность измерений в пределах 2–3 дБ, поэтому абсолютно точное значение определить невозможно. Показатель зависит от конкретной частоты, тогда как мы рассматриваем весь диапазон в целом. Кроме того, стоит помнить, что испытания проводились не в идеальных лабораторных условиях.

№2. Кабель RG-58 с разъемом SMA

Как видим, разница между разъемами на одном и том же кабеле оказалась достаточно ощутимой.

• В диапазоне 900 МГц антенна с разъемом SMA показала 25 дБ против 19 дБ на F-разъемах.
• В диапазоне 1800 МГц результат для SMA составил 12 дБ, тогда как для F – всего 9 дБ.
• В диапазоне 2600 МГц мы получили 15 дБ для SMA и 12 дБ для F.

Отсюда можно сделать вывод, что антенна с выходами SMA той же самой конструкции имеет однозначно лучшие показатели усиления сигнала, чем с разъёмами F, во всех трех диапазонах – 900/1800/2600 МГц.

Далее посмотрим, что произойдет, если заменить кабель на такой, который имеет меньшее затухание на этих частотах. Для сравнения мы взяли кабель 5D-FB.

№3. Кабель 5D-FB с разъемом SMA

• 900 диапазон на SMA с кабелем 5D-FB выдал нам 27 дБ > 19 дБ на F-разъемах с кабелем RG 58 50 Ом.
• 1800 диапазон SMA с кабелем 5D-FB выдал нам 17 дБ > 9 дБ на F-разъемах с кабелем RG 58 50 Ом.
• 2600 диапазон SMA с кабелем 5D-FB выдал нам 20 дБ > 12 дБ на F-разъемах с кабелем RG 58 50 Ом.

Вывод: в каком варианте и с каким кабелем антенна 4G Marketnet Square наиболее эффективна?

Напоминаем: +8 дБ ⇒ увеличение мощности ≈ 10^(8/10) = 6.3 раза; по полевым величинам (напряжение/поле) ≈ ×2.5.

Итак, переход на тракт SMA + 5D-FB (50 Ω) обеспечивает стабильный прирост сигнала примерно на +8 дБ во всех LTE-диапазонах. Это существенное преимущество, которое:

• Повышает запас уровня сигнала на границе покрытия. Это значит, что даже в местах, где сигнал очень слабый, у вас будет дополнительный «резерв» в несколько децибел. Проще говоря – интернет не оборвется на пороге зоны покрытия, а будет работать стабильнее.
• Улучшает устойчивость и скорость соединения (возрастает вероятность удерживать более высокие модуляции и профили). Иными словами, антенна позволяет чаще «держать» максимальные скорости передачи данных. То есть в реальных условиях ваш интернет будет не только стабильным, но и более быстрым.
• Уменьшает чувствительность к помехам и потерям в фидере. Проще говоря – если рядом есть помехи или сигнал ослабевает из-за длинного кабеля, антенна с таким трактом лучше с этим справляется, и качество связи падает значительно меньше.

Почему так происходит:

• Кабель 5D-FB имеет меньшие удельные потери, что особенно заметно в диапазонах 1800/2600 МГц.
• SMA-разъемы обеспечивают более стабильный контакт и значительно меньшее переходное сопротивление, чем комбинация F-разъемов с переходниками.
• На больших длинах кабеля преимущество становится еще ощутимее, прежде всего в диапазонах 1800/2600 МГц, где потери в фидере растут быстрее.