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Antenne & Linee di Trasmissione

Il trasmettitore che genera l'alimentazione RF per guidare l'antenna è situato solitamente ad una certa distanza dai terminali dell'antenna. Il link di collegamento fra i due è la linea di trasmissione RF. Il suo scopo è di trasportare l'alimentazione RF da un posto ad un altro e fare ciò il più efficientemente possibile. Dal lato ricevente, l'antenna è responsabile della selezione di ogni segnale radiofonico nell'aria e del loro passaggio alla ricevente con la minima quantità di distorsione, in modo che l'apparato radio abbia la migliore possibilità di decodificare il segnale. Per questi motivi, il cavo RF ha un ruolo molto importante nei sistemi radiofonici: deve effettuare l'integrità dei segnali in entrambi i sensi.

Ci sono due categorie principali di linee della trasmissione: cavi e guide di onde. Entrambi i tipi funzionano bene per trasportare efficientemente l'alimentazione RF a 2.4GHz.

Cavi

I cavi RF sono, per le frequenze più alte dell'HF, quasi esclusivamente cavi coassiali (o più brevemente coax, derivato dalle parole "of common axis"). I cavi coassiali hanno un nucleo centrale conduttore circondato da un materiale non conduttivo denominato dielettrico o semplicemente isolamento. Il dielettrico a sua volta è circondato completamente da una protezione che è fatta spesso di fili intrecciati. Il dielettrico impedisce il collegamento elettrico fra il nucleo e la protezione. Per concludere, il coassiale è protetto da una copertura esterna che è fatta generalmente da un materiale PVC. Il conduttore interno trasporta il segnale RF e lo schermo esterno protegge il segnale RF dalle radiazioni dell'atmosfera ed inoltre impedisce ai segnali esterni di interferire con il segnale trasportato dal nucleo. Un altro fatto interessante è che il segnale elettrico viaggia sempre lungo lo strato esterno del conduttore centrale: più grande è il conduttore centrale, meglio sarà il segnale che fluirà. Ciò è denominata "Effetto pelle".

Anche se la costruzione coassiale è buona a mantenere il segnale sul filo del nucleo, c'è una certa resistenza al flusso elettrico: quindi mentre il segnale viaggia attraverso il nucleo, esso diminuirà. Questa diminuzione è conosciuta come attenuazione e per le linee di trasmissione è misurato in decibels al metro (dB/m). Il tasso di attenuazione è funzione della frequenza del segnale e della costruzione fisica del cavo stesso . A mano a mano che la frequenza del segnale aumenta, aumenta anche la relativa attenuazione. Ovviamente, occorre minimizzare l'attenuazione del cavo il più possibile mantenendo il cavo molto corto ed usando cavi di alta qualità.

Qui ci sono alcuni punti da considerare quando si sceglie un cavo da usare con i dispositivi a microonde:

1. "Più corto è meglio è!" La prima regola quando installate una parte di cavo è di provare a renderlo il più corto possibile. La perdita di potenza non è lineare, così raddoppiare la lunghezza del cavo significa perdere molto più del doppio la potenza. Nello stesso modo, ridurre la lunghezza del cavo della metà significa raddoppiare la potenza all'antenna. La soluzione migliore è disporre il trasmettitore il più vicino possibile all'antenna, anche quando questo significa posizionarlo su una torre.

2. "Più è economico più è peggiore!" La seconda regola d'oro è che qualunque cifra investiate per acquistare un cavo di buona qualità è un affare. I cavi economici sono adatti per essere usati alle frequenze basse, come il VHF. Le microonde richiedono cavi della più alta qualità disponibile. Tutte le altre opzioni sono solo fatica sprecata.

3. Evitare sempre RG-58. E' adatto alle reti thin Ethernet , radiofrequenze CB o VHF, ma non per microonde.
4. Evitare sempre RG-213. E' adatto alle radiofrequenze CB e HF. In questo caso il diametro del cavo non corrisponde ad un'alta qualità, o ad un basso livello di attenuazione.

5. Per quanto possibile, usare i cavi Heliax (anche chiamato "foam") per il collegamento del trasmettitore all'antenna. Quando Heliax non è disponibile, usate il miglior cavo LMR che possiate trovare. I cavi Heliax hanno un conduttore centrale solido o tubolare con un conduttore esterno solido ondulato per permettere loro di flettere. Heliax può essere costruito in due modi, usando l'aria o la gomma piuma come dielettrico. L'heliax con aria come dielettrico è più costoso e garantisce la perdita minima, ma è molto difficile da maneggiare. L'heliax con dielettrico in gomma piuma è di qualità minore, ma è meno costoso e di più facile ad installazione. Una procedura speciale è richiesta quando si saldano i connettori per mantenere il dielettrico in gomma piuma asciutto e intatto. LMR è una marca di cavo coassiale disponibile in vari diametri che funziona bene alle frequenze delle microonde. LMR-400 e LMR-600 sono un'alternativa ad Heliax comunemente usata.

6. Per quanto possibile, usare i cavi che pre-crimped e testati in un laboratorio adeguato. L'installazione dei connettori ai cavi è un problema complesso ed è difficile da fare correttamente anche con gli attrezzi adeguati. A meno che non possiate disporre di un'apparecchiatura che possa verificare un cavo fatto da voi stessi (come un analizzatore di spettro e un generatore di segnale, o un time domain reflectometer), fare un'analisi dei guasti di una rete che usa tale cavo può essere difficile.
7. Non abusare della vostra linea della trasmissione. Mai calpestare un cavo, piegarlo troppo, o provare a disconnettere un connettore tirando direttamente il cavo. Tutti questi comportamenti possono cambiare la caratteristica meccanica del cavo e quindi la sua impedenza, possono accorciare il conduttore interno allo schermo, o persino interrompere la linea. Questi problemi sono difficili da trovare e riconoscere e possono condurre ad un comportamento imprevedibile del collegamento radiofonico.

Guide di onde

Essendo superiore a 2 gigahertz, la lunghezza d'onda è abbastanza corta da permettere un trasferimento di energia pratico ed efficiente attraverso mezzi differenti. Una guida di onde è un condotto tramite cui l'energia è trasmessa sotto forma di onde elettromagnetiche. Il condotto funge da contorno che limita le onde nello spazio incluso. L'effetto pelle impedisce a tutti gli effetti elettromagnetici di uscire fuori della guida. I campi elettromagnetici sono propagati tramite la guida di onde per mezzo di riflessioni contro le sue pareti interne, che sono considerate conduttori perfetti. L'intensità dei campi è più grande al centro lungo la dimensione X e deve diminuire a zero sulle pareti perché l'esistenza di ogni campo parallelo alle pareti della superficie entrando nel conduttore perfetto causerebbe una corrente infinita. Le guide di onde, naturalmente, non possono trasportare RF in questa situazione.

Le dimensioni X, Y e Z di una guida di onde rettangolare possono essere viste nella seguente figura:

C'è un numero infinito di maniere in cui i campi elettrici e magnetici possono organizzarsi in una guida di onde per frequenze sopra la frequenza di taglio basso. Ciascuna di queste configurazioni del campo è denominata modo. I modi possono essere separati in due gruppi generali. Un gruppo, indicato TM (Transverse Magnetic), ha il campo magnetico interamente trasversale al verso della propagazione, ma ha una componente del campo elettrico nel verso della propagazione. L'altro tipo, indicato TE (Transverse Electric) ha il campo elettrico interamente trasversale, ma ha una componente del campo magnetico nel verso della propagazione.

Il modo di propagazione è identificato dalle lettere del gruppo seguite da due numeri. Per esempio, TE 10, TM 11, ecc. Il numero di modi possibili aumenta con la frequenza per un data grandezza della guida e vi è soltanto un possibile modo, denominato il modo dominante, associato alla frequenza più bassa che possa essere trasmessa. In una guida rettangolare, la dimensione critica è X. Questa dimensione deve essere più grande di 0.5 λ alla frequenza più bassa da trasmettere. n pratica, la dimensione di Y solitamente è resa circa uguale a 0.5 X per evitare la possibilità di operare in modi diversi da quelli del modo dominante. Possono essere usate forme a sezione trasversale in alternativa al rettangolo, e la forma più importante è il tubo circolare. Le stesse considerazioni si applicano come nel caso rettangolare. Le dimensioni di lunghezza d'onda per le guide rettangolari e circolari sono date nella seguente tabella, in cui X è la larghezza di una guida rettangolare ed r è il raggio di una guida circolare. Tutte le figure si applicano al modo dominante.

L'energia può essere introdotta o essere estratta da una guida di onde per mezzo di un campo elettrico o magnetico. Il trasferimento di energia tipicamente accade attraverso una linea coassiale. Due metodi possibili per l'accoppiamento ad una linea coassiale consistono nell'usare il conduttore interno della linea coassiale, o attraverso una spira. Una sonda che è semplicemente una piccola estensione del conduttore interno della linea coassiale può essere orientata in modo che sia parallela alle linee elettriche di forza. Una spira può essere organizzata in modo che includa alcune delle linee magnetiche di forza. Il punto in cui l'accoppiamento massimo è ottenuto dipende dal modo della propagazione nella guida o nella cavità. L'accoppiamento è massimo quando il dispositivo dell'accoppiamento è nel campo più intenso.

Se una guida di onde è lasciata aperta ad un'estremità, irradierà l'energia (cioè può essere usata come antenna piuttosto che come linea della trasmissione). Questa radiazione può essere aumentata svasando la guida di onde per formare un'antenna pyramidal horn. Vedremo un esempio di una pratica antenna da una guida di onde per WiFi più avanti in questo capitolo.

Questa è una tabella contenente varie grandezze di comuni linee di trasmissione. Scegliete il cavo migliore che possiate permettervi con la più bassa attenuazione possibile alla frequenza che intendete usare per il vostro collegamento wireless.

Connettori e adattatori

I connettori permettono di connettere un cavo ad un altro cavo o a un componente della catena RF. Vi è una grande varietà di adattatori e connettori progettati per i vari formati e tipi di linee coassiali. Ne descriveremo alcuni più dei popolari.

I connettori BNC furono progettati verso la fine degli anni 40. BNC significa Bayonet Neill Concelman dal nome degli uomini che lo inventarono:Paul Neill and Carl Concelman. La serie di prodotti BNC comprende un connettore miniaturizzato di connessione/sconnessione veloce. E' caratterizzato da due alette a baionetta sul connettore femmina, e si blocca con soltanto un quarto di giro del dado di aggancio. I BNC sono idealmente adatti per terminazioni di cavi miniature e subminiature di cavi coassiali (da RG-58 a RG-179, RG-316, ecc.). Hanno prestazioni accettabili fino a pochi gigahertz. Sono trovati più comunemente sulle attrezzature di prova e sui cavi coassiali Ethernet 10base2.

Anche i connettori TNC sono stati inventati da Neill e da Concelman ed sono una variazione filettata del BNC. A causa della migliore interconnessione fornita dal connettore filettato, i connettori TNC funzionano bene con circa 12GHz. I TNC significa Threaded Neill Concelman.

Il tipo N (ancora di Neill, anche se a volte attribuito a "Navy") originalmente è stato sviluppato durante la seconda guerra mondiale. Arrivano fino a 18 gigahertz e sono comunemente molto usati per applicazioni con microonde. Sono disponibili per quasi tutti i tipi di cavi. Sia i giunti della spina/cavo che della spina/presa sono impermeabili, fornendo una morsa per filo elettrico efficace.

SMA è un acronimo per SubMiniature versione A ed è stato sviluppato negli anni 60. I connettori SMA hanno precisione, unità di miniatura che forniscono prestazioni elettriche eccellenti fino a 18 gigahertz. Questi connettori ad alto rendimento sono compatti nel formato e meccanicamente hanno durata eccezionale.

SMB deriva da SubMiniature B ed è il secondo disegno di subminiature. SMB è una versione più piccola dello SMA con l'aggancio a scatto. Fornisce la possibilità a banda larga attraverso 4 gigahertz con un connettore progettato a scatto.

I connettori MCX sono stati introdotti negli anni 80. Sebbene MCX abbia contatti ed isolanti di dimensioni interne identiche dell'SMB, il diametro esterno della spina è il 30% più piccolo dell'SMB. Questa serie fornisce ai progettisti opzioni con peso e spazio fisico limitati. MCX fornisce la possibilità a banda larga sebbene solo a 6 gigahertz con un connettore progettato a scatto.

Oltre che questi connettori standard, la maggior parte dei dispositivi WiFi usano una varietà di connettori proprietari. Spesso, questi sono semplicemente connettori standard a microonde con le parti centrali invertite, o con la filettatura tagliata in senso opposto. Queste parti sono integrate spesso in un sistema a microonda usando un ponticello corto denominato ponticello flessibile che converte il connettore non standard in qualcosa di più robusto e facilmente disponibile. Alcuni di questi connettori includono:

RP-TNC. Questo è un connettore TNC con i teminali maschio/femmina invertiti. Questi sono comunemente usati sull'apparecchiatura Linksys, come il WRT54G.

U.FL (anche conosciuto come MHF). L'U.FL è un connettore brevettato fatto da Hirose, mentre il l'MHF è un connettore meccanicamente equivalente. Questo è attualmente il più piccolo connettore a microonde maggiormente usato. U.FL/MHF è usato tipicamente per collegare una scheda radiofonica mini-PCI ad un'antenna o ad un connettore più grande (come N o TNC).

La serie MMCX, anche chiamata MicroMate, è una tra le più piccole linee di connettori RF ed è stata sviluppata negli anni 90. MMCX è una serie di connettori micro-miniaturizzata con un meccanismo di sicurezza a scatto permettendo la flessibilità di una rotazione di 360 gradi. I connettori MMCX sono comunemente usati sulle schede radiofoniche di PCMCIA, come quelli prodotte da Senao e da Cisco.

I connettori MC-Card sono ancora più piccoli e più fragili degli MMCX. Hanno un connettore esterno spaccato che si rompe facilmente dopo appena alcuni collegamenti. Questi sono comunemente usati sull'apparecchiatura di Lucent/Orinoco/Avaya.

Gli adattatori, che sono anche denominati adattatori coassiali, sono connettori corti, a due vie utilizzati per unire due cavi o componenti che non possono essere collegati direttamente. Gli adattatori possono essere utilizzati per collegare dispositivi o cavi di differenti tipi. Per esempio, un adattatore può essere utilizzato per collegare un connettore SMA ad uno BNC. Gli adattatori possono anche essere utilizzati per collegare connettori dello stesso tipo, ma che non possono essere uniti direttamente a causa del loro delle differenti terminazioni maschio/femmina. Per esempio un adattatore molto utile è quello che permette di unire due tipi di connettori N, con terminazione femminile da entrambi i lati.

Scelta del connettore adeguato

1. "La questione del genere." Virtualmente tutti i connettori hanno un genere ben definito consistente di un perno (l'estremità “maschio„) o di uno zoccolo (l'estremità “femminile„). I cavi hanno solitamente connettori maschili su entrambe le estremità, mentre i dispositivi RF (cioè trasmettitori ed antenne) hanno connettori femminili. I dispositivi come gli accoppiatori direzionali e i dispositivi di misurazione line-through possono avere sia connettori maschili che femminili. Occorre essere sicuri che ad ogni connettore maschile nel vostro sistema corrisponda un connettore femminile.
2. "Minimizzare è la cosa migliore!" Provare a minimizzare il numero di connettori e di adattatori nella catena RF. Ogni connettore introduce una certa perdita supplementare (fino agli alcuni dB per ogni collegamento, secondo il connettore!)
3. "Comprare, non costruire!" Come accennato precedentemente, voi avete bisogno per quanto possibile di cavi comprati che sono già completi di connettori. La saldatura dei connettori non è un'operazione facile e fare questo lavoro correttamente è quasi impossibile per i piccoli connettori come U.FL e MMCX. Neppure terminare i cavi "Foam" è un'operazione facile.
4. Non usare BNC per 2.4GHz o più. Usare il tipo di connettori N (o SMA, SMB, TNC, ecc.)
5. I connettori a microonde hanno parti fatte con alta precisione e possono essere danneggiati facilmente se maltrattati. Come regola generale, dovreste ruotare il manicotto esterno per stringere il connettore, lasciando il resto del connettore (e del cavo) stazionario. Se altre parti del connettore sono torte mentre si stringono o si allentano, si possono verificare facilmente dei danni.
6. Non calpestare mai i connettori, o abbandonare i connettori sul pavimento quando si staccano i cavi (questo accade più spesso di quello che potete immaginare, particolarmente quando si lavora al supporto di un'antenna sopra un tetto).
7. Non utilizzare mai attrezzi come pinze per stringere i connettori. Utilizzare sempre le vostre mani. Nel funzionare all'esterno, ricordarsi che i metalli si espandono alle temperature elevate e che si riducono alle temperature basse: un connettore molto stretto in estate può saldarsi o persino rompersi in inverno.

Antenne & diagrammi di radiazione

Le antenne sono un componente molto importante nei sistemi di comunicazione. Per definizione, un'antenna è un dispositivo utilizzato per trasformare un segnale RF che viaggia su un conduttore in un' onda elettromagnetica nello spazio libero. Le antenne dimostrano una proprietà conosciuta come reciprocità, che significa che un'antenna manterrà le stesse caratteristiche sia se si stia trasmettendo che ricevendo. La maggior parte delle antenne sono dispositivi risonanti, e funzionano efficientemente sopra una fascia di frequenza relativamente stretta. Un'antenna deve essere sintonizzata alla stessa fascia di frequenza del sistema radiofonico a cui è collegata, altrimenti la ricezione e la trasmissione saranno alterate. Quando un segnale si inserisce in un'antenna, l'antenna emette una radiazione distribuita nello spazio in una determinata direzione. Una rappresentazione grafica della relativa distribuzione della potenza irradiata nello spazio è denominata diagramma di radiazione.

Glossario dei termini dell'antenna

Prima di parlare di specifiche antenne, ci sono alcuni comuni termini che devono essere definiti e spiegati:

Impedenza dell'input

Per un trasferimento efficiente di energia, l' impedenza della radio, dell'antenna ed del cavo della trasmissione che li collega deve essere la stessa. I ricetrasmettitori e le loro linee di trasmissione sono progettati tipicamente per l'impedenza di 50Ω. Se l'antenna ha un'impedenza differente da 50Ω, allora vi è un disadattamento ed è richiesto un circuito di adattamento di impedenza. Quando qualcuno di questi componenti sono sottoposti a disadattamento, l'efficienza della trasmissione diminuisce.

Attenuazione di adattamento

Attenuazione di adattamento è un altro modo di esprimere il disadattamento. È un rapporto logaritmico misurato in dB che confronta la potenza riflessa dall'antenna con quella che è inserita nell'antenna dalla linea della trasmissione. La relazione fra SWR e attenuazione di adattamento è la seguente:

                                                 SWR
Attenuazione di adattamento (in dB) = 20log10  -------
                                               SWR - 1

Mentre una certa quantità di energia sarà sempre riflessa indietro nel sistema, un'alta attenuazione di adattamento renderà inaccettabili le prestazioni dell'antenna.

Larghezza di banda

La larghezza di banda di un'antenna si riferisce all'intervallo di frequenze sopra le quali l'antenna può funzionare correttamente. La larghezza di banda dell'antenna è il numero di hertz per cui l'antenna esibirà uno SWR minore di 2:1.

La larghezza di banda può anche essere descritta in termini di percentuale della frequenza centrale della banda.

                            FH = FL
Larghezza di banda = 100 x  -------
                              FC

…dove FH è la più alta frequenza della banda, FL è la frequenza più bassa della banda e FC è la frequenza centrale nella banda.

In questo modo, la larghezza di banda è costante relativamente alla frequenza. Se la larghezza di banda fosse espressa in unità assolute di frequenza, essa sarebbe differente a secondo della frequenza centrale. Differenti tipi di antenne hanno differenti limitazioni di larghezza di banda.

Direttività e guadagno

La direttività è la capacità di un'antenna di focalizzare l'energia in una particolare direzione quando trasmette, o di ricevere l'energia proveniente da una direzione particolare. Se un collegamento wireless usa posizioni fisse in entrambi i finali, è possibile usare la direttività dell'antenna per concentrare il fascio di radiazione nella direzione desiderata. In un'applicazione mobile dove il ricetrasmettitore non è fisso, può essere impossibile da prevedere dove il ricetrasmettitore sarà e così l'antenna dovrebbe irradiarsi idealmente nel miglior modo possibile in tutte le direzioni. Un'antenna omnidirezionale è utilizzata in queste applicazioni.

Il guadagno non è una quantità che possa essere definita in termini di quantità fisica come il watt o l'Ohm, ma è un rapporto senza dimensioni. Il guadagno è dato nel riferimento ad un'antenna standard. Le due antenne di riferimento più comuni sono lantenna isotropica e l' antenna risonante a dipolo. L'antenna isotropica si irradia ugualmente bene in tutte le direzioni. Antenne isotropiche reali non esistono, ma forniscono modelli teorici utili e semplici con cui confrontare antenne reali. Ogni antenna reale irradierà più energia in alcune direzioni che in altre. Poiché le antenne non possono generare energia, la potenza totale irradiata è la stessa di un'antenna isotropica. Qualsiasi energia supplementare irradiata nella direzione favorita è compensata da uguale meno energia irradiata in tutte le altre direzioni.

Il guadagno di un'antenna in una data direzione è la quantità di energia irradiata in quella direzione confrontata con l'energia che un'antenna isotropica irradierebbe nella stessa direzione una volta portata alla stessa potenza di input. Siamo solitamente soltanto interessati al guadagno massimo, che è il guadagno nella direzione in cui l'antenna sta irradiando la maggior parte della potenza. Un guadagno dell'antenna di 3dB confrontato con un'antenna isotropica sarebbe scritto come 3dBi . L'antenna risonante a dipolo può essere un utile standard per il confronto con altre antenne ad una frequenza o sopra una banda molto stretta di frequenze. Confrontare il dipolo con un'antenna sopra un intervallo di frequenze richiede un certo numero di dipoli di lunghezze differenti. Un guadagno dell'antenna di 3dB confrontato con un'antenna a dipolo sarebbe scritto come 3dBd.

Il metodo di misurazione del guadagno confrontando l'antenna sotto test con un'antenna standard conosciuta, che ha un guadagno calibrato, è conosciuto tecnicamente come tecnica del trasferimento di guadagno. Un altro metodo per la misurazione del guadagno è il metodo delle 3 antenne, dove la potenza trasmessa e ricevuta ai terminali dell'antenna è misurata fra tre antenne arbitrarie ad una distanza fissa conosciuta.

Radiation Pattern

The radiation pattern or antenna pattern describes the relative strength of the radiated field in various directions from the antenna, at a constant distance. The radiation pattern is a reception pattern as well, since it also describes the receiving properties of the antenna. The radiation pattern is three-dimensional, but usually the measured radiation patterns are a two-dimensional slice of the three-dimensional pattern, in the horizontal or vertical planes. These pattern measurements are presented in either a rectangular or a polar format. The following figure shows a rectangular plot presentation of a typical ten-element Yagi. The detail is goodbut it is difficult to visualize the antenna behavior in different directions.

Polar coordinate systems may be divided generally in two classes: linear and logarithmic. In the linear coordinate system, the concentric circles are equally spaced, and are graduated. Such a grid may be used to prepare a linear plot of the power contained in the signal. For ease of comparison, the equally spaced concentric circles may be replaced with appropriately placed circles representing the decibel response, referenced to 0 dB at the outer edge of the plot. In this kind of plot the minor lobes are suppressed. Lobes with peaks more than 15 dB or so below the main lobe disappear because of their small size. This grid enhances plots in which the antenna has a high directivity and small minor lobes. The voltage of the signal, rather than the power, can also be plotted on a linear coordinate system. In this case, too, the directivity is enhanced and the minor lobes suppressed, but not in the same degree as in the linear power grid.

There are two kinds of radiation pattern: absolute and relative. Absolute radiation patterns are presented in absolute units of field strength or power. Relative radiation patterns are referenced in relative units of field strength or power. Most radiation pattern measurements are relative to the isotropic antenna, and the gain transfer method is then used to establish the absolute gain of the antenna.

The radiation pattern in the region close to the antenna is not the same as the pattern at large distances. The term near-field refers to the field pattern that exists close to the antenna, while the term far-field refers to the field pattern at large distances. The far-field is also called the radiation field, and is what is most commonly of interest. Ordinarily, it is the radiated power that is of interest, and so antenna patterns are usually measured in the far-field region. For pattern measurement it is important to choose a distance sufficiently large to be in the far-field, well out of the near-field. The minimum permissible distance depends on the dimensions of the antenna in relation to the wavelength. The accepted formula for this distance is:

        2d^2
rmin = ------
         λ

An antenna's beamwidth is usually understood to mean the half-power beamwidth. The peak radiation intensity is found, and then the points on either side of the peak which represent half the power of the peak intensity are located. The angular distance between the half power points is defined as the beamwidth. Half the power expressed in decibels is -3dB, so the half power beamwidth is sometimes referred to as the 3dB beamwidth. Both horizontal and vertical beamwidths are usually considered.

Assuming that most of the radiated power is not divided into sidelobes, then the directive gain is inversely proportional to the beamwidth: as the beamwidth decreases, the directive gain increases.

Sidelobes

No antenna is able to radiate all the energy in one preferred direction. Some is inevitably radiated in other directions. These smaller peaks are referred to as sidelobes, commonly specified in dB down from the main lobe.

Nulls

In an antenna radiation pattern, a null is a zone in which the effective radiated power is at a minimum. A null often has a narrow directivity angle compared to that of the main beam. Thus, the null is useful for several purposes, such as suppression of interfering signals in a given direction.

Polarization

Polarization is defined as the orientation of the electric field of an electromagnetic wave. Polarization is in general described by an ellipse. Two special cases of elliptical polarization are linear polarization and circular polarization. The initial polarization of a radio wave is determined by the antenna.

With linear polarization, the electric field vector stays in the same plane all the time. The electric field may leave the antenna in a vertical orientation, a horizontal orientation, or at some angle between the two. Vertically polarized radiation is somewhat less affected by reflections over the transmission path. Omnidirectional antennas always have vertical polarization. With horizontal polarization, such reflections cause variations in received signal strength. Horizontal antennas are less likely to pick up man-made interference, which ordinarily is vertically polarized.

Loss (dB) = 20 log (cos θ)

It is often useful to compare the front-to-back ratio of directional antennas. This is the ratio of the maximum directivity of an antenna to its directivity in the opposite direction. For example, when the radiation pattern is plotted on a relative dB scale, the front-to-back ratio is the difference in dB between the level of the maximum radiation in the forward direction and the level of radiation at 180 degrees.

This number is meaningless for an omnidirectional antenna, but it gives you an idea of the amount of power directed forward on a very directional antenna.

Types of Antennas

• Frequency and size. Antennas used for HF are different from antennas used for VHF, which in turn are different from antennas for microwave. The wavelength is different at different frequencies, so the antennas must be different in size to radiate signals at the correct wavelength. We are particularly interested in antennas working in the microwave range, especially in the 2.4 GHz and 5 GHz frequencies. At 2.4 GHz the wavelength is 12.5cm, while at 5 GHz it is 6cm.

• Directivity. Antennas can be omnidirectional, sectorial or directive. Omnidirectional antennas radiate roughly the same pattern all around the antenna in a complete 360° pattern. The most popular types of omnidirectional antennas are the dipole and the ground plane. Sectorial antennas radiate primarily in a specific area. The beam can be as wide as 180 degrees, or as narrow as 60 degrees. Directional or directive antennas are antennas in which the beamwidth is much narrower than in sectorial antennas. They have the highest gain and are therefore used for long distance links. Types of directive antennas are the Yagi, the biquad, the horn, the helicoidal, the patch antenna, the parabolic dish, and many others.

• Physical construction. Antennas can be constructed in many different ways, ranging from simple wires, to parabolic dishes, to coffee cans.

When considering antennas suitable for 2.4 GHz WLAN use, another classification can be used:

• Application. Access points tend to make point-to-multipoint networks, while remote links are point-to-point. Each of these suggest different types of antennas for their purpose. Nodes that are used for multipoint access will likely use omni antennas which radiate equally in all directions, or sectorial antennas which focus into a small area. In the point-to-point case, antennas are used to connect two single locations together. Directive antennas are the primary choice for this application.

A brief list of common type of antennas for the 2.4 GHz frequency is presented now, with a short description and basic information about their characteristics.

1/4 wavelength ground plane

      D^2
f = -------
    16 × c

       (π × D)^2
Gain = --------- × n
          λ^2

            70 λ
Beamwidth = ----
             D

As mentioned earlier, antennas do not actually create power. They simply direct all available power into a particular pattern. By using a power amplifier, you can use DC power to augment your available signal. An amplifier connects between the radio transmitter and the antenna, and has an additional lead that connects to a power source. Amplifiers are available that work at 2.4GHz, and can add several Watts of power to your transmission. These devices sense when an attached radio is transmitting, and quickly power up and amplify the signal. They then switch off again when transmission ends. When receiving, they also add amplification to the signal before sending it to the radio.

Unfortunately, simply adding amplifiers will not magically solve all of your networking problems. We do not discuss power amplifiers at length in this book because there are a number of significant drawbacks to using them:

• They are expensive. Amplifiers must work at relatively wide bandwidths at 2.4GHz, and must switch quickly enough to work for Wi-Fi applications. These amplifiers do exist, but they tend to cost several hundred dollars per unit.

• You will need at least two. Whereas antennas provide reciprocal gain that benefits both sides of a connection, amplifiers work best at amplifying a transmitted signal. If you only add an amplifier to one end of a link with insufficient antenna gain, it will likely be able to be heard but will not be able to hear the other end.

• They provide no additional directionality. Adding antenna gain provides both gain and directionality benefits to both ends of the link. They not only improve the available amount of signal, but tend to reject noise from other directions. Amplifiers blindly amplify both desired and interfering signals, and can make interference problems worse.

• Amplifiers generate noise for other users of the band. By increasing your output power, you are creating a louder source of noise for other users of the unlicensed band. This may not be much of an issue today in rural areas, but it can cause big problems in populated areas. Conversely, adding antenna gain will improve your link and can actually decrease the noise level for your neighbors.

• Using amplifiers probably isn't legal. Every country imposes power limits on use of unlicensed spectrum. Adding an antenna to a highly amplified signal will likely cause the link to exceed legal limits.

Using amplifiers is often compared to the inconsiderate neighbor who wants to listen to the radio outside their home, and so turns it up to full volume. They might even "improve" reception by pointing their speakers out the window. While they may now be able to hear the radio, so must everyone else on the block. This approach may scale to exactly one user, but what happens when the neighbors decide to do the same thing with their radios? Using amplifiers for a wireless link causes roughly the same effect at 2.4GHz. Your link may "work better" for the moment, but you will have problems when other users of the band decide to use amplifiers of their own.

By using higher gain antennas rather than amplifiers, you avoid all of these problems. Antennas cost far less than amps, and can improve a link simply by changing the antenna on one end. Using more sensitive radios and good quality cable also helps significantly on long distance shots. These techniques are unlikely to cause problems for other users of the band, and so we recommend pursuing them long before adding amplifiers.

Practical antenna designs

Possibly the simplest antenna design is the use of a parabola to direct the output of a USB wireless device (known in networking circles as a USB dongle). By placing the internal dipole antenna present in USB wireless dongles at the apex of a parabolic dish, you can provide significant gain without the need to solder or even open the wireless device itself. Many kinds of parabolic dishes will work, including satellite dishes, television antennas, and even metal cookware (such as a wok, round lid, or strainer). As a bonus, inexpensive and lossless USB cable is then used to feed the antenna, eliminating the need for expensive coaxial cable or heliax.

To build a USB dongle parabolic, you will need to find the orientation and location of the dipole inside the dongle. Most devices orient the dipole to be parallel with the short edge of the dongle, but some will mount the dipole perpendicular to the short edge. You can either open the dongle and look for yourself, or simply try the dongle in both positions to see which provides more gain.

To test the antenna, point it at an access point several meters away, and connect the USB dongle to a laptop. Using the laptop's client driver or a tool such as Netstumbler (see chapter six), observe the received signal strength of the access point. Now, slowly move the dongle in relation to the parabolic while watching the signal strength meter. You should see a significant improvement in gain (20 dB or more) when you find the proper position. The dipole itself is typically placed 3 to 5 centimeters from the back of the dish, but this will vary depending on the shape of the parabola. Try various positions while watching your signal strength meter until you find the optimum location.

Once the best location is found, securely fix the dongle in place. You will need to waterproof the dongle and cable if the antenna is used outdoors. Use a silicone compound or a piece of PVC tubing to seal the electronics against the weather. Many USB-fed parabolic designs and ideas are documented online at http://www.usbwifi.orcon.net.nz/ .

Collinear omni

               λ
λG = ------------------------
     sqrt(1 - (λ / 1.706D)^2)

S = 0.25 λG

NEC2 stands for Numerical Electromagnetics Code (version 2) and is a free antenna modeling package. NEC2 lets you build an antenna model in 3D, and then analyzes the antenna's electromagnetic response. It was developed more than ten years ago and has been compiled to run on many different computer systems. NEC2 is particularly effective for analyzing wire-grid models, but also has some surface patch modeling capability.

The antenna design is described in a text file, and then the model is built using this text description. An antenna described in NEC2 is given in two parts: its structure and a sequence of controls. The structure is simply a numerical description of where the different parts of the antenna are located, and how the wires are connected up. The controls tell NEC where the RF source is connected. Once these are defined, the transmitting antenna is then modeled. Because of the reciprocity theorem the transmitting gain pattern is the same as the receiving one, so modeling the transmission characteristics is sufficient to understand the antenna's behaviour completely.

A frequency or range of frequencies of the RF signal must be specified. The next important element is the character of the ground. The conductivity of the earth varies from place to place, but in many cases it plays a vital role in determining the antenna gain pattern.

To run NEC2 on Linux, install the NEC2 package from the URL below. To launch it, type nec2 and enter the input and output filenames. It is also worth installing the xnecview package for structure verification and radiation pattern plotting. If all went well you should have a file containing the output. This can be broken up into various sections, but for a quick idea of what it represents a gain pattern can be plotted using xnecview. You should see the expected pattern, horizontally omnidirectional, with a peak at the optimum angle of takeoff. Windows and Mac versions are also available.

The advantage of NEC2 is that we can get an idea of how the antenna works before building it, and how we can modify the design in order to get the maximum gain. It is a complex tool and requires some research to learn how to use it effectively, but it is an invaluable tool for antenna designers.

NEC2 is available from Ray Anderson's "Unofficial NEC Archives" at http://www.si-list.org/swindex2.html

Online documentation can be obtained from the "Unofficial NEC Home Page" at http://www.nittany-scientific.com/nec/ .