elettrotecnica - antenne wireless - dalla teoria alla pratica.pdf

5/26/2018 elettrotecnica - Antenne Wireless - Dalla teoria alla pratica.pdf

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Antenne Wireless: dalla teoriaAntenne Wireless: dalla teoria

alla pratica passando per lealla pratica passando per le

patatinepatatine

Alessandro Pasta AKA Pastus

[email protected]


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Antenne Wireless: dalla teoria allapratica passando per le patatine

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A cosa servono le antenne ?A cosa servono le antenne ?

Unantenna un trasduttore di segnale.

Il suo compito quello di trasformare il

segnale elettrico al suo ingresso in unsegnale elettromagnetico trasmissibilenelletere e dualmente di trasformare un

segnale elettromagnetico provenientedalletere in uno elettrico.


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Perch unantenna puPerch unantenna puassumere queste strane forme ?assumere queste strane forme ?


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Il compito di unantenna, come gi detto, quello ditrasformare un segnale elettromagnetico in un

segnale elettrico e viceversa.

La forma, le dimensioni e la grandezza di

unantenna, determina come questa

trasformazione avviene, con quali rendimenti econ quali caratteristiche particolari. (come

vedremo successivamente)

Perch unantenna puPerch unantenna puassumere queste strane forme ?assumere queste strane forme ?


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Perch una antenna FM non puPerch una antenna FM non puessere utilizzato per i 2,4 Ghz ?essere utilizzato per i 2,4 Ghz ?

Tutte le antenne sono progettate per operare su particolarirange di frequenza.

Il range di frequenza determinato dalle dimensionidellantenna.

Ergo unantenna per FM (88-108 Mhz) non potr mai essereefficacemente usata per i 2,4 Ghz

E come voler usare un cavo coassiale per ethernet a 10 Gbit


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Un po di teoriaUn po di teoria

Il concetto principe delle linee di trasmissione dati:

ADATTEMENTO DI IMPEDENZA

(massimo trasferimento di potenza)


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Impedenza ???

Equivalente vettoriale in corrente alternatadella resistenza in corrente continua

Resistenza = capacit di un componente adopporsi al passaggio di corrente


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ADATTAMENTO DI IMPEDENZA(ragioniamo in corrente continua)

R antenna

R tx

V tx

2

22

)( RtxRantennaRantennaVIRPantenna

+

==

Pantenna massimo quando Rantenna = Rtx


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Ladattamento di impedenza permette quindi:

di trasferire la maggior quantit di potenza

allantenna di diminuire la quantit di onde riflesse e quindi la

generazione di errori. (ecco perch si terminano lereti con cavo coassiale)

di minimizzare le perdite nella linea ditrasmissione.


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Lato negativo: met della potenza deltrasmettitore viene persa.


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Limpedenza una caratteristiche propriadellantenna.

E data dal materiale con cui fatta, dalle

dimensioni e dalla forma.

Prima spiegazione delle strane forme


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ATTENZIONE!

Non solo le antenne hanno impedenza

caratteristica.

Anche i cavi, i connettori, etc hanno la loroimpedenza

Anche loro intervengono nelladattamento diimpedenza


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Altro parametro importante per unantenna la sua frequenza di lavoro

Anche la frequenza di lavoro determinata

dalle dimensioni dellantenna

Principalmente dalla sua lunghezzaequivalente.


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Per poter trasmettere efficacemente segnalelantenna deve essere lunga:

Dove lambda la lunghezza donda e n unnumero dispari

4/=nl


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Tale lunghezza permette di mandare inrisonanza lantenna e quindi trasmettere il

segnale

4/=nl


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Perch a parit di frequenza di lavoro hoantenne di lunghezze diverse???

ANTENNE CARICATE


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Equivalenza delle antenne

= =


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Domanda spontanea:limpedenza di una antenna dipende indirettamente dalla sua

frequenza di lavoro. Come concilio frequenza di lavoro eimpedenza uscita del trasmettitore? (esempio: impedenza

uscita tx = 50

impedenza antenna calcolata =3,25

)

Semplice!!!

adattatori di impedenza.

(circuiti elettrici, semplici cavi calibrati, trasformatori, etc.)


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Guadagno di unantenna

Indica di quante volte maggiore l'intensit di

radiazione, nel punto considerato, dato

dall'antenna in questione rispetto a quello

che si otterrebbe, nello stesso punto, conun'antenna isotropa (antenna ideale).


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In pratica indica di quanto amplifica ilsegnale in un certo punto nello spazio.

Formalmente

Pantenna

PisotropaG =


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Generalmente il guadagno di una antenna indicato in decibel:

Pantenna

PisotropaLogdBG =10)(


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Misura della potenza di trasmissione

Generalmente la misura di potenza indicata

in dBm

mWonePtrasmissiLogdBmP

110)( =


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Alcune equivalenze

158,5mW = 22dBm

100mW = 20dBm

50,1mW = 17dBm

31,6mW = 15 dBm

15,8mW = 12 dBm

10 mW = 10 dBm


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Unaltra caratteristica di una antenna lapolarizzazione del segnale. Cio comelonda trasmessa oscilli nello spazio.

Polarizzazione:

Vericale

Orizzontale

Circolare


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Antenne Wireless: dalla teoria allapratica passando per le patatine 25


PolarizzazioneVerticale Orizzontale


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Nella polarizzazione circolare londatrasmessa non assume alcun orientamento,

ma anzi continua a roteare rispetto al

proprio asse.

Tale polarizzazione molto efficace in luoghicon molti corpi riflettenti


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Effetti della polarizzazione:

Verticale: minor effetti di riflessione su

superfici piane (acqua, terreno, etc)

Orizzontale: minor effetti di riflessione susuperfici vericali (costruzioni, montagne,etc)


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ATTENZIONE

Unonda polarizzata orizzontalmente sar

ricevuta scarsamente da una antenna

polarizzata verticalmente.


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Ricapitolando:

Impedenza caratteristica

Frequenza di lavoro (lunghezza antenna)

Polarizzazione

Direttivit (vedremo in seguito)

Guadagno


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Classificazione delle antenneClassificazione delle antenne

Le antenne possono essere divise in duegrandi famiglie:

Omnidirezionali

Direttive


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Classificazione delle antenneClassificazione delle antenne

La forma di una antenna determina anche lasua classificazione come omnidirezionale o

direttiva.

Ulteriore spiegazione delle strane forme


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Antenne omnidirezionaliAntenne omnidirezionali

Antenne in grado di ricevere etrasmettere segnale in ogni

direzione.


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Antenne Wireless: dalla teoria alla

pratica passando per le patatine 33

Antenne omnidirezionaliAntenne omnidirezionali

CollineariSpider


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Antenna CollineareAntenna Collineare


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Diagramma di radiazione di una antennacollineare

Guadagno tipico 5-10 dB


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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

determinato dalla frequenza di lavoro


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Antenna SpiderAntenna Spider

Simile ad unantenna collineare,ma con laggiunta di riflettori

alla base. (i baffi sul fondo del

connettore)

Il funzionamento identico ad

una antenna collineare.


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Sono costruite utilizzando un normaleconnettore N da pannello e del filo di

rame/ottone rigido.

Sono simili ai feeder utilizzati nelle antenne

pringles e cantenna.


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Guadagno tipico intorno ai 5 dB


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Antenne direttiveAntenne direttive

PringlesCantenna o Tin can

Yagi

BiQuad

Parabolica

A spirale (Helical)


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Antenne direttiveAntenne direttive

Antenne in grado di ricevere etrasmettere segnale solamente in

particolari direzioni.


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Antenna PringlesAntenna Pringles

LA PRIMA MITICA HOMEBREWANTENNA PER IL WIRELESS

(ed ecco le patatine del titolo)


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Il funzionamento di questa antenna si basasulle antenna a guida donda.

Il segnale entrando nel tubo viene riflesso fino

ad arrivare allantenna interna (feeder) che

lo trasforma in segnale elettrico.


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In pratica come una antennaomnidirezionale inserita in tubo metallico.

Leffetto che il segnale focalizzato in una

direzione.

Un po come i riflettori luminosi.


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Sono realizzate con un tubo di pringles o concartone alluminizzato (scatole del latte,

succo, etc), un connettore e filo di

rame/ottone rigido

La dimensione e la posizione del feeder sono

determinati dalla frequenza di lavoro


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Diagramma di radiazione di una antennapringles



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Antenna Cantenna o Tin canAntenna Cantenna o Tin can

Praticamente identiche come struttura efunzionamento alle pringles antenna

(sono la loro evoluzione)


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Vantaggi:

Sono molto pi resistenti di un tubo delle

pringles :-)))


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AntennaAntenna Cantenna o Tin canCantenna o Tin can



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Antenna YagiAntenna Yagi

Molto simile alle tipiche antenne per TV


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Inventata dal Dottor. Hidetsugu Yagi


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Antenna yagiAntenna yagi

Il principio di funzionamento semplice:Alla coda presente un feeder costituito da

una semplice dipolo hertziano

Dietro a questo pu essere presente unriflettore.

Anteriormente sono presenti una serie di

antenne passive di varia lunghezza e didiversa distanza.


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Schema


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Il segnale trasmesso dal feeder eccitalantenna passiva posta anteriormente ed in

cascata anche le altre.

Questo processo aumenta notevolmente ladirezionalit dellantenna. Inoltre il

riflettore posteriore elimina la parte di

segnale che si propagherebbe in direzioneopposta.


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Diagramma di radiazione di una antenna yagi



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AntennaAntenna BiQuadBiQuad

Il nome di questa antenna deriva dalla suaforma; costituita da due quadrati di filo.


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Lo schermo metallico posteriore permette ladirezionalit dellantenna.

Molto usata come feeder in antenneparaboliche


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Diagramma di radiazione di una antennaBiquad


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Antenna ParabolicaAntenna Parabolica

Contrariamente a quello che pu sembrare lavera antenna di una parabolica non lo

schermo posteriore, bens lilluminatore.

Lo schermo posteriore ha la stessa funzione

degli schermi metallici visti nelle precedenti

antenne: riflettere il segnale in punto.


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In questo caso la forma a parabola delloschermo riflette il segnale nel punto di

fuoco, ove ovviamente presente lantennavera e propria.

Il feeder pu essere una antenna di qualsiasi

tipo. Generalmente viene utilizzata unaBiQuad o una cantenna


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pratica passando per le patatine64



Lantenna parabolica ha il pi alto guadagno

ed una delle pi direttive


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Antenna a SpiraleAntenna a Spirale

E una antenna realizzata con un filo di rameavvolto a spirale su di un supporto.


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Ha una difficolt di costruzione abbastanza

elevata, dovuta alla realizzazione dellaspirale.


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Diagramma di radiazione di una antenna aspirale



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AntenneAntenne

Esistono diversi altri tipi di antenne con formee caratteristiche differenti.


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Test & Valutazione di una antennaTest & Valutazione di una antenna

Per poter effettuare la misura del guadagno(empirico) di una antenna sono necessari:

Due apparati wireless

La misura della potenza ricevuta da ciascuna

antennaConoscere il guadagno di almeno una antenna


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Le due antenne devono essere disposte in

ambiente aperto e ad una distanza di circa

25-30 metri

Inoltre buona cosa, durante la misura,

mantenere fissa la posizione degli oggetti

circostanti: auto, persone, piante, etc


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Una volta misurati le potenze ricevute da ciascuna

antenna, il guadagno viene calcolato nel

seguente modo:

Santnota Santvalutare + Gantnota = Gantvalutare


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Sfatiamo un falso mitoSfatiamo un falso mito

La domanda Quanto lontano pu arrivare

quellantenna? non pu avere risposta!!!

La distanza a cui una antenna puricevere/trasmettere dipende solamente

dalla morfologia dello spazio che il segnale

percorre.


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Sfatiamo un falso mitoSfatiamo un falso mito

Anche una antenna strepitosa pu fare solo pochi

centimetri se isolata da una cupola di metallo

Sicuramente pi alto il guadagno di una antennamaggiore la sua portata

Non esiste per una legame univoco tra guadagno eportata


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Collegare le antenneCollegare le antenne

Per poter collegare le antenne agli apparati

radio esistono diversi tipi di connettori e

cavi.

Bisogna per scegliere quelli adatti a lavorare

in alta frequenza (2,4 Ghz)


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Connettore di tipo N

(usati per la costruzione delle antenne)


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pratica passando per le patatine

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Connettore di tipo SMA e MCX

(usati generalmente sugli apparati)


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Connettore di tipo TNC


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ATTENZIONE!!!

Lo standard 802.11 non prevede lutilizzo di

un connettore specifico da utilizzare su tuttigli apparati 802.11 compliant. Quindi ogniproduttore (deve) usare un connettore

differente. Noi dobbiamo quindi usare ipigtail (cavetti adattatori)


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Esempio di pig-tail


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CONNETTORI NON ADATTI

BNC UHF


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I cavi utilizzati sono di tipo coassiale.

Alcuni esempi di cavi utilizzabili in 2,4 Ghz sono i

seguenti (in ordine di qualit):

LMR400

RG316

RG213RG58


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Bisogna comunque tenere presente che pi il

cavo corto meglio

In questo modo si riducono le perdite dipotenza sulla linea di trasmissione tra

antenna e apparato


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Ponti radioPonti radio

Per costruire un ponte radio sono necessari i

seguenti elementi:

2 apparati 802.11

Cavi di connessione

2 AntenneMateriale vari, scatole stagne etc


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Per quanto riguarda gli apparati 802.11 la scelta

molto ampia: va bene di qualsiasi tipo;

preferibilmente con la possibilit di collegare una

antenna esterna.

Per quanto riguarda invece il tipo di antenna, il suo

guadagno e per la potenza di trasmissione richiesta

bisogna eseguire dei calcoli e valutazioni.


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Prima di tutto bisogna decidere quale tipo diantenne utilizzare:

Omni o direzionale.

Se il ponte radio point to multi point ->antenna omnidirezionale nellAP centrale eantenne direzionali in quelli periferici

Se il ponte radio point to point -> dueantenne direzionali


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Situazione ibrida: deve essere valutata caso

per caso

Esempio: Access-point ripetitore

P i diP i di


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Calcolo potenza ricevuta

Ptx FeederTxLoss + AntTxGain PathLoss+ AntRxGain FeederRxLoss = Prx

P i diP i di


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88


Il feeder loss viene calcolato come la somma

delle perdite di ciascun connettore + la

perdita specifica del cavo al metro.

Generalmente si considera una perdita per

connettore di 1 dB

P i diP i di


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Variando inoltre i parametri di guadagno

dellantenna e di potenza di trasmissione

possibile aumentare la potenza ricevuta e

quindi la qualit e la velocit del segnaletrasmesso

Sf ti lt f l itSf ti lt f l it


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90

Sfatiamo unaltro falso mitoSfatiamo unaltro falso mito

Potenza a tutti costi??? Perch???

Se devo avere una portata di pochi metri

perch usare potenze elevate???(risparmiamo energia e disturbi

elettromagnetici ed inoltre non vado contro

la legge)

Sf ti lt f l itSf ti lt f l it


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Sfatiamo unaltro falso mitoSfatiamo unaltro falso mito

Inoltre la potenza influisce solamente sul

segnale trasmesso e non sulla ricezione.

Aumento la potenza di una ricevente???

P ti diP ti di


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Altro parametro da tenere in considerazione la

fresnel zone.

La fresnel zone il cono immaginario secondo cui

londa si propaga dalla trasmittente alla ricevente.

Se tra i due apparati formanti il ponte radio si trova

un oggetto che riflette il segnale si possono creareeffetti distruttivi sul segnale trasmesso.

P ti diP ti di


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Infine sulle lunghe distanze anche laltezza

delle antenne importante.

Infatti pu succedere che la linea delsegnale trasmesso sia tangente o peggio

formante una corda con la superficie

terrestre.

Esempi diEsempi di hackinghacking


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Esempi diEsempi di hackinghacking

Il mitico Access pint D-link DWL-900+

Haching hadrware e software per aumentare la

potenza trasmessa, rimozione della diversityantenna.

Schede pcmcia con antenna esterna



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UN HACK ORRIPILANTE!!!

LinksLinks ItalianiItaliani


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LinksLinks ItalianiItalianiNapoli Wireless

http://www.paipai.net/antenna/default.asp

Nabuk.org

http://www.nabuk.org/

Security wireless

http://www.securitywireless.info/

Wireless Italia

http://www.wireless-italia.com/

LinksLinks stranieristranieri


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LinksLinks stranieristranieriSeattle Wireless

http://www.seattlewireless.net/

NoCatNet

http://nocat.net/

Green Bay Professional Packet Radio

http://www.qsl.net/n9zia/

LinksLinks stranieristranieri


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LinksLinks stranieristranieriPer chi si vuole cimentare nello studio/realizzazione di ponti

radio a lunga distanza, segnalo questo ottimo softwarefreeware.

http://www.cplus.org/rmw/english1.html

Purtroppo solo per windows

RingraziamentiRingraziamenti


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RingraziamentiRingraziamenti

Un sentito grazie alla metro olografix per

avermi concesso questo spazio

(soprattutto Isazi)

Ed anche un grazie allamico Embyte per

avermi spinto a realizzare codesto seminario

Domande ???Domande ???


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Domande ???Domande ???

Spero di no :-))))

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