Breve introduzione alle antenne per applicazioni Wi-Fi
by Savy.uhf ®
Le antenne sono un dispositivo tipicamente metallico, per la trasmissione e la ricezione di onde radio. Sono un elemento fondamentale di un sistema di trasmissione/ricezione in quanto hanno il compito di trasformare il segnale elettrico in ingresso in un segnale elettromagnetico trasmissibile nell’etere e dualmente di trasformare un segnale elettromagnetico proveniente dall’etere in uno elettrico. Le antenne possono comportasi come dei veri e propri amplificatori di segnale.
La forma, le dimensioni, la grandezza e il materiale con cui è costruita un’antenna ne determinano le sue caratteristiche di radiazione (direttivita, guadagno) e cioè come avviene la trasformazione del segnale. Tutte le antenne sono progettate per operare su particolari range di frequenza.
TEORIA:
ADATTAMENTO DI IMPEDENZA
L’impedenza è un numero complesso (vettoriale) che rappresenta l’equivalente in corrente alternata della resistenza in corrente continua. La resistenza è una grandezza che quantifica la capacità di un componente elettrico di opporsi al passaggio della corrente elettrica. Sia la resistenza che l’impedenza si misurano in Ohm (W).
L’impedenza è un parametro descrittivo fondamentale di qualsiasi componente che lavora in RF (es. antenne, cavi, connettori, ecc…); essa dipende dalla forma, dimensione e materiale con cui è costruito.
La condizione di adattamento di impedenza tra cavo ed antenna (o tra qualsiasi altro componente) è molto importante, in quanto permette di raggiungere il massimo trasferimento di potenza tra di essi.
Quando un’onda elettromagnetica incide su una discontinuità (chiamata interfaccia), ad esempio tra cavo ed antenna, non tutta l’onda elettromagnetica riesce a “passare” a causa di fenomeni di riflessione. Solo una parte della potenza che avevamo nel cavo riesce ad arrivare all’antenna, la rimanente viene riflessa e torna verso il trasmettitore. L’entità di questa riflessione è determinata dai valori delle impedenze dei componenti in questione. Si dimostra che il massimo trasferimento di potenza (minima riflessione) si ha quando:
ImpedenzaAntenna = ImpedenzaCavo (Condizione di adattamento)
Bisognerà quindi prestare attenzione ad utilizzare componenti con la stessa impedenza all’interno del nostro sistema (rice)trasmittente.
Valori standard di impedenza sono:
- 50 Ohm: antenne WiFi, reti locali in cavo coassiale, strumenti di misura
- 75 Ohm: antenne televisive o radiofoniche
Questo è un altro motivo per cui ad esempio le antenne e il cavo televisivi non possono essere utilizzate efficientemente in applicazioni wireless.
Bisogna tenere presente che nonostante un perfetto adattamento di impedenza, si dimostra che metà della potenza trasmessa verrà comunque persa tra il trasmettitore e l’antenna.
N.B.: Tutti i ragionamenti fatti considerando un’onda trasmessa dal trasmettitore verso l’antenna valgono dualmente per un’onda ricevuta in modo del tutto identico.
Altro parametro importante per un’antenna è la sua frequenza di lavoro.
L’impedenza di un’antenna varia a seconda della frequenza a cui la stiamo utilizzando, quindi un’antenna che è progettata per lavorare a una certa frequenza avrà una certa impedenza a quella frequenza (es. 50 Ohm). Se utilizziamo la stessa antenna a frequenze diverse la sua efficienza e rendimento decadranno, fino a renderla inutilizzabile.
Se un’antenna presenta un’impedenza diversa da quella voluta esistono vari accorgimenti (che nominiamo soltanto) per poterne variare il valore: adattatori di impedenza, cavi calibrati, trasformatori, ecc…
Guadagno di un’antenna
Indica di quante volte è maggiore l'intensità di radiazione dell’antenna considerata, rispetto all’antenna isotropa (antenna ideale di riferimento), in un determinato punto. Il guadagno va inteso come una vera e propria amplificazione come potrebbe essere quella di un amplificatore attivo. E’ importante notare che tale guadagno entra in gioco in trasmissione ma anche in ricezione. Molte spesso, per aumentare le performance del sistema, si tende ad aumentare la potenza erogata dal trasmettitore (migliorando le cose solo in trasmissione), mentre sarebbe preferibile utilizzare antenne con guadagno più elevato migliorando così il sistema sia in trasmissione sia in ricezione, anche a costo di diminuire la potenza erogata dal trasmettitore per rimanere comunque nei limiti di legge. Formalmente il guadagno è definito come:
G = Ptx/Prif
Per comodità il guadagno di una antenna è tipicamente indicato in decibel rispetto all'antenna isotropa (dBi).
G [dB] = 10* log10 ( Ptx/Prif )
N.B: 3dB di guadagno corrispondono ad un raddoppio della potenza!!!
Misura della potenza di trasmissione
La potenza viene misurata in Watt (W), ma come per il guadagno si utilizza una scala logaritmica (dB)
Il vantaggio nell’utilizzo della scala logaritmica in dB (decibel) stà nel fatto che potenze e guadagni possono essere semplicemente sommati/sottratti anziché moltiplicati.
P[dB] = 10 * log10 P[mW] P[mW] = 10(P[dB]/10)
Tabella conversione dBm in mW:
|
(dBm)
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mW
|
(dBm)
|
mW
|
(dBm)
|
mW
|
|
0
|
1
|
11
|
12.5
|
21
|
128
|
|
1
|
1.25
|
12
|
16
|
22
|
160
|
|
2
|
1.56
|
13
|
20
|
23
|
200
|
|
3
|
2
|
14
|
25
|
24
|
256
|
|
4
|
2.5
|
15
|
32
|
25
|
320
|
|
5
|
3.12
|
16
|
40
|
26
|
400
|
|
6
|
4
|
17
|
50
|
27
|
512
|
|
7
|
5
|
18
|
64
|
28
|
640
|
|
8
|
6.25
|
19
|
80
|
29
|
800
|
|
9
|
8
|
20
|
100
|
30
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1 watt
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10
|
10
|
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POLARIZZAZIONE
Un’altra caratteristica di una antenna è la polarizzazione del segnale, cioè come l’onda trasmessa oscilla nello spazio al variare del tempo.
Le polarizzazioni utilizzate nella pratica sono:
- Verticale: minore riflessione su superfici piane (terreno, acqua)
- Orizzontale: minore riflessione su superfici verticali (edifici, montagne, ecc…)
- Circolare: efficace in luoghi con molti corpi riflettenti
In alto un esempio di polarizzazione verticale ed in basso un esempio di polarizzazione orizzontale.
Un’ antenna con polarizzazione verticale riceverà efficientemente solamente un’ onda polarizzata verticalmente e viceversa.
CLASSIFICAZIONE DELLE ANTENNE
Le antenne possono essere divise in:
Isotrope: è l’antenna ideale di riferimento (non esiste) che presenta le stesse caratteristiche di radiazione in tutte le direzioni, presenta quindi un diagramma di radiazione sferico.
Omnidirezionali: hanno un diagramma di radiazione circolare su un determinato piano (isotropa su un piano) ad esempio i dipoli, loop e slotted antenna.
Direttive: presenta una direzione preferenziale nella quale ha un guadagno maggiore, ad esempio le antenne Yagi, le cantenna e le antenne paraboliche.
Antenne omnidirezionali :
Collineari
Guadagno tipico: 5-10 Db
Funziona come una normale antenna a stilo.
Generalmente vengono costruite con cavo coassiale, tubi di ottone, filo di rame spiralato. La misura di ciascun pezzo è determinato dalla frequenza di lavoro
Antenna Spider
Simile ad un’antenna collineare, ma con l’aggiunta di riflettori alla base. (i “baffi” sul fondo del connettore)
Antenna Spider
Sono costruite utilizzando un normale connettore N da pannello e del filo di rame/ottone rigido.
Sono simili ai feeder utilizzati nelle antenne pringles e cantenna.
Guadagno tipico intorno ai 5 dB
Antenne direttive :
- Pringles, Cantenna o Tin can
- Yagi
- BiQuad
- Parabolica
- Slotted waveguide
Pringles, Cantenna, Tin Can, ovvero Antenne a guida d’onda.
All’interno di un tubo metallico (circolare o rettangolare) viene inserito un monopolo; il tubo è chiuso ad un’esteremità con un tappo metallico mentre l’altra (chiamata bocca) viene lasciata aperta per permettere la radiazione del campo elettromagnetico (Nella realizzazione pratica viene chiusa con un tappo dielettrico per ovvi motivi).
Antenna a barattolo.
Il monopolo (feeder) riceve il segnale dal cavo e lo “immette” all’interno del tubo che funge da vera e propria guida d’onda. Si tratta quindi di un’antenna omnidirezionale (il monopolo) inserita all’interno di una guida d’onda che semplificando può essere vista come una sorta di riflettore. Le dimensioni del monopolo e della guida dipendono ovviamente dalla frequenza di lavoro scelta.
Antenna Yagi
Per farci subito un’idea pensiamo alle comuni antenne televisive che tutti abbiamo sui nostri tetti.
Sono composte da una serie di elementi allineati, sulla coda è presente un elemento attivo (feeder) costituito da un semplice dipolo, dietro di esso possono essere presenti uno o più riflettori mentre davanti si trovano una serie di elementi direttori.
N.B.: Solo un elemento dell’ antenna è alimentato (il feeder) tutti gli altri sono elementi passivi ed elettricamente scollegati tra loro.
Il feeder eccita in cascata tutti gli altri elementi aumentando notevolmente la direttività, mentre lo schermo evita che il campo venga radiatoe “sprecato” nella direzione opposta che non ci interessa (dal punto di vista teorico sfruttano il concetto di “Array di antenne”.
Guadagno tipico 10-18 dB
Antenna BiQuad
Sono due spire rettangolari parallele ad un piano metallico.
Gli elementi attivi (che vengono alimentati) sono le spire, mentre il piano funge solo da riflettore per ottenere la direzionalità.
Sono molto usati come illuminatori per antenne paraboliche.
Guadagno tipico 10-12 dB
Antenna Parabolica
E’ composta da uno schermo parabolico e da un illuminatore.
Se pensiamo al segnale che ci arriva come a dei raggi, per la sua forma lo schermo concentra i raggi che lo colpiscono in un punto (chiamato fuoco) nel quale viene posizionato l’illuminatore.
Lo stesso discorso vale ovviamente anche in trasmissione.
L’antenna vera e propria non è quindi lo schermo, bensì l’illuminatore (feeder).
Il feeder viene solitamente realizzato con guide d’onda (cantenna) o BiQuad.
Grazie al suo schermo riflettente permette di ottenere guadagni molto elevati (che dipendono dal diametro del riflettore e dal guadagno del feeder) e una notevole direttività. Proprio a causa di questa notevole direttività (generano un fascio molto stretto) il puntamento diventa un aspetto critico del loro utilizzo, specie quando le antenne da allineare si trovano molto distanti tra loro.
Guadagno tipico 15-34 dB
NOTA BENE:
La distanza a cui una antenna può ricevere/trasmettere dipende solamente dalla morfologia dello spazio che il segnale percorre.
Anche una antenna strepitosa può fare solo pochi centimetri se isolata da uno spesso muro di cemento armato.
Sicuramente più è alto il guadagno di una antenna maggiore è la sua portata, non esiste però una legame univoco tra guadagno e portata.
COLLEGARE LE ANTENNE
Per poter collegare le antenne agli apparati radio esistono diversi tipi di connettori e cavi. Bisogna però scegliere quelli adatti a lavorare in alta frequenza (2,4 Ghz).
CAVI
I cavi per radiofrequenza sono caratterizzati principalmente da due parametri: l’impedenza caratteristica e la frequenza di lavoro.
L’impedenza caratteristica, come visto in precedenza dovrà essere tale da permetterci un buon adattamento di impedenza, quindi in poche parole dovrà coincidere con l’impedenza caratteristica dell’antenna e del trasmettitore che vogliamo utilizzare.
Un’altra caratteristica importante è l’attenuazione che il cavo introduce, solitamente espressa in dB/metro e riferita ad una determinata frequenza di lavoro (nel nostro caso 2,4GHz).
Per il collegamento tra antenna ed AccessPoint/Client esistono in commercio vari tipi di cavi; elenchiamo di seguito i più diffusi:
- LMR 400 (equivalente a RG8U)
o Impedenza caratteristica: 50 Ohm
o Attenuazione: 0.23 dB/metro
o Diametro: 10 mm
- H 155
o Impedenza caratteristica: 50 Ohm
o Attenuazione: 0.48 dB/metro
o Diametro: 5.5 mm
- RG 316
o Impedenza caratteristica: 50 Ohm
o Attenuazione: 1.65 dB/metro
o Diametro: 2.6 mm
- RG 58
o Impedenza caratteristica: 50 Ohm
o Attenuazione: 1.4 dB/metro
o Diametro: 5 mm
La scelta va fatta in base alle necessità di realizzare tratti più o meno lunghi di cavo. E’ comunque preferibile cercare di ridurre al minimo tali distanze per minimizzare le perdite di potenza sulla linea di trasmissione.
Solitamente si cerca di non superare i 2/3 metri.
CONNETTORI
Purtroppo lo standard 802.11 non definisce un tipo specifico di connettore da utilizzare su tutti gli apparati WiFi, ogni produttore quindi monta sui propri apparecchi il connettore che preferisce. L’unica soluzione è quindi procurarsi dei cavetti adattatori (pigtail) con i connettori adatti al nostro apparato/antenna. Sono disponibili in commercio pigtal già assemblati, in alternativa possiamo costruirci il cavetto adatto alle nostre esigenze. Sfortunatamente non sempre il cavo e i connettori adatti sono facilmente reperibili (soprattutto in Italia).
N.B.: Attenzione, nella scelta dei connettori va tenuto presente anche il tipo di cavo utilizzato, in particolare il diametro, per un corretto montaggio.
Alcuni tipi di connettori maggiormente diffusi:
Tipo N:
Tipo RP-SMA:
Tipo TNC:
Tipo MCX:
Attenzione: di questi tipi di connettori esistono delle varianti “Reverse Polarity” a prima vista identiche ma che sono però meccanicamente diverse!!!
Normativa Vigente
L'utilizzo della banda di frequenza dei 2.4 GHz per applicazioni di tipo Radio LAN è regolamentato dal Ministero delle Comunicazioni secondo il Nuovo Piano Nazionale Nuovo Piano Nazionale Gestioni Frequenze relativo al D.M. dell'8 Luglio 2002 e dalle relative modifiche come dal Decreto del Ministero delle Comunicazioni del 20 Febbraio 2003 (nota 158).
Viene definito come Radio Local Area Network (di seguito denominate “Radio LAN " o “ R-LAN”) un sistema di comunicazioni in rete locale mediante radiofrequenze che utilizza apparati a corto raggio secondo le caratteristiche di armonizzazione e tecniche previste dal vigente Piano nazionale di ripartizione delle frequenze, nelle seguenti bande di frequenza: 2.400,0 - 2.483,5 MHz (brevemente banda a 2.4 GHz).
I sistemi Radio LAN sono regolati da apposite normative. Principalmente valgono le normative F.C.C. per gli U.S.A., iI Canada, e gli altri paesi aderenti alle F.C.C., come gli ex paesi U.R.S.S.; mentre le norme E.T.S. 300-328-2 e correlate, emanate dall'organo Europeo E.T.S.I., valgono per i paesi dell'Unione Europea, Giappone e per i paesi aderenti a queste normative.
La normativa tecnica ETS 300-328-2 impone di non irradiare con una potenza E.I.R.P. superiore ai 100 mW (equivalente a 20 dBm).
In linea di principio inoltre impone agli apparati Radio LAN, di non trasmettere con una potenza elettrica effettiva superiore ai 50 mW (equivalente a 17 dBm); questo perché l'antenna a dipolo più semplice, che di solito li accompagna, ha generalmente un guadagno in trasmissione pari a circa 2.5 dBi, che fa si che la potenza E.I.R.P. trasmessa salga a circa 80 mW (per la precisione 19.2 dBm).
Per questo motivo su tutto il territorio dell'Unione Europea, ed anche in Italia, e assolutamente vietato utilizzare antenne che abbiano un guadagno in trasmissione elevato (in linea di massima diciamo superiore ai 5 dBi), tale da portare la potenza trasmessa E.I.R.P. oitre i 100 mW (equivalente a 20 dBm).
Nel caso in cui invece sia possibile regolare il livello di potenza trasmessa dagli Access Point, viene data la possibilità di utilizzare antenne ad alto guadagno attenendosi strettamente ad una serie di istruzioni di seguito riportate che consentono questo utilizzo rimanendo comunque all'interno della potenza massima trasmessa E.I.R.P. pari e non superiore a 1O0mW (20dBm).
CALCOLO DELLA POTENZA E.I.R.P. IN EMlSSIONE
La formula di calcolo per ottenere l'E.I.R.P. effettivo è la seguente:
E.I.R.P. (dBm) = Ptx (dBm) + Gtx (dBi) dove
Ptx = Potenza trasmessa al connettore dell'antenna di trasmissione
Gtx = Guadagno dell'antenna di trasmissione
Il valore ottenuto dalla somma, NON deve superare quanto espresso dalla normativa ovvero 20dBm. Nel caso in cui si voglia convertire il risultato ottenuto in mW, utilizzare la semplice tabella di conversione riportata precedentemente.
Installazione ed utilizzo di sistemi radio LAN ad uso privato
Come riportato nel D.L. 01 agosto 2003, “codice delle comunicazioni elettroniche”:
"Sono di libero uso le apparecchiature che impiegano frequenze di tipo collettivo, senza alcuna protezione, per collegamenti a brevissima distanza con apparati a corto raggio, compresi quelli rispondenti alla raccomandazione CEPT-ERC/REC 70-03, tra le quali rientrano in particolare:
b) reti locali di tipo radiolan e hiperlan nell'ambito del fondo, ai sensi dell’articolo 99, comma 5;"
Art. 99
Comma 3.
L’attività di installazione ed esercizio di reti o servizi di comunicazione elettronica ad uso privato, fatta eccezione di quanto previsto al comma 5, è assoggettata ad una autorizzazione generale che consegue alla presentazione della dichiarazione di cui al comma 4.
Comma 4.
Il soggetto interessato presenta al Ministero una dichiarazione resa dalla persona fisica titolare ovvero dal legale rappresentante della persona giuridica, o da soggetti da loro delegati, contenente l’intenzione di installare o esercire una rete di comunicazione elettronica ad uso privato. La dichiarazione costituisce denuncia di inizio attività. Il soggetto interessato è abilitato ad iniziare la propria attività a decorrere dall’avvenuta presentazione. Ai sensi dell’articolo 19 della legge 7 agosto 1990, n. 241 e successive modificazioni, il Ministero, entro e non oltre sessanta giorni dalla presentazione della dichiarazione, verifica d’ufficio la sussistenza dei presupposti e dei requisiti richiesti e dispone, se del caso, con provvedimento motivato da notificare agli interessati entro il medesimo termine, il divieto di prosecuzione dell’attività. Sono fatte salve le disposizioni in materia di conferimento di diritto d'uso di frequenze.
Comma 5.
Sono in ogni caso libere le attività di cui all’articolo 105, nonché la installazione, per proprio uso esclusivo, di reti di comunicazione elettronica per collegamenti nel proprio fondo o in più fondi dello stesso proprietario, possessore o detentore purché contigui, ovvero nell'ambito dello stesso edificio per collegare una parte di proprietà del privato con altra comune, purché non connessi alle reti di comunicazione elettronica ad uso pubblico.
Parti dello stesso fondo o più fondi dello stesso proprietario, possessore o detentore si considerano contigui anche se separati, purché collegati da opere permanenti di uso esclusivo del proprietario, che consentano il passaggio pedonale o di mezzi.”
Per richiedere l'autorizzazione generale, fare riferimento all’allegato n°14 presente all’interno del D.L. 01 agosto 2003, “codice delle comunicazioni elettroniche” in qualità di canovaccio per la stesura della richiesta (come indicato all’Art.107).
Per ulteriori informazioni e delucidazioni, fare riferimento al D.L. 01 agosto 2003, “codice delle comunicazioni elettroniche”
Installazione ed utilizzo di sistemi radio LAN ad uso pubblico
A fronte dell'ultimo decreto relativo all'accesso ad Internet senza fili in regime di autorizzazione generale e usa pubblico rilasciato dal Ministero delle Comunicazioni in data 28 Maggio 2003, sono stati rivisti i parametri relativi all’instal1azione ed all'utilizzo dei sistemi Radio LAN ad uso pubblico.
Per completezza di informazioni, suggeriamo di fare riferimento al decreto in questione.
