Progettazione e Realizzazione di un'antenna a 2.4

Raffaele D’Alessandro

a

5 D Informatica

Progettazione e Realizzazione

di un'antenna a 2.4 GHz

per banda wireless

I.T.I.S. “F. Giordani” - Napoli

Anno scolastico 2008/09

INTRODUZIONE ALLE ANTENNE

Le trasmissioni radio (dal latino radius, raggio) si basano sulla libera propagazione

nello spazio di onde e.m., genarate e rivelate mediante antenne trasmittenti e

riceventi.

Il mezzo trasmissivo, in questo caso, può essere lo spazio vuoto, altrimenti definito

“etere”, oppure un mezzo fisico a bassa conducibilità, come, per esempio,

l’atmosfera.

La velocità con la quale si propagano le onde e.m. nel vuoto è circa uguale a :

c=3 km/s =3 m/s

Le trasmissioni radio utilizzano segnali a radiofrequenza, cioè con frequenza

compresa tra 10 kHz e 100 GHz. Poiché i segnali trasmessi si trasmettono

attraverso lo spazio si parla, in questo caso, di propagazione libera.

In un punto dello spazio possono essere presenti segnali radio di ogni genere (TV,

canali audio, GSM, Banda Cittadina ecc.) . La non sovrapposizione dei segnali è

garantita dal seguente criterio: due sistemi trasmittenti sono separati se influiscono su

regioni di spazio distinte, oppure, se i segnali emessi sono tali da poter essere distinti

singolarmente da un ricevitore. Quest’ultima proprietà è fondata sul valore di una

certa frequenza associata a ciascuna trasmissione.

Un’antenna è un trasduttore di segnale. E’ un apparato radioelettrico destinato

all’irradiazione o alla ricezione di radioonde. Il suo compito è quello di trasformare

il segnale elettrico al suo ingresso in un segnale elettromagnetico trasmissibile

nell’etere e dualmente di trasformare un segnale elettromagnetico proveniente

dall’etere in uno elettrico. Nel primo caso l’energia elettrica fornita da un

trasmettitore è trasformata dall’antenna trasmittente in un’onda e.m. che si propaga

dall’antenna nello spazio circostante, nel secondo caso l’antenna ricevente trasforma

del campo e.m. che la investe in un segnale elettrico che viene applicato ad

l’energia

un ricevitore.

Ogni antenna può funzionare indifferentemente come trasmittente o ricevente per il

secondo il quale: un’antenna mantiene le stesse

principio di reciprocità, proprietà

( in termini di direzionalità, accoppiamento con il campo e.m. ecc.) se utilizzata, a

parità di frequenza, come trasmittente o come ricevente.

2

In pratica tuttavia si utilizzano due classi ben distinte di antenne per i casi di

e ricezione. La distinzione è legata alle dimensioni dell’antenna e alla

trasmissione

potenze in gioco. Mentre, infatti, un’antenna trasmittente può essere grande e costosa

e deve, spesso, irradiare notevole potenza (fino a decine di kilowatt), le antenne

riceventi devono essere di dimensioni e costo limitato e lavorano con livelli di

potenza modestissimi (micro-picowatt)

La forma, le dimensioni, la grandezza e il materiale con cui è costruita un’antenna ne

determinano le sue caratteristiche di radiazione: direttività, guadagno e range di

frequenza.

Tutte le antenne sono progettate per operare su particolari range di frequenza

7 La fase più delicata di un a trasmissione radio è quella in cui si affida il proprio

segnale, opportunamente generato e modulato, mediante una linea di trasmissione

all'antenna trasmittente, l'elemento che trasforma correnti e tensioni (potenza

elettrica) in potenza irradiata (campo elettromagnetico).

Quando si parla di antenne e di linee di trasmissione, occorre ragionare in termini di

circuiti a "costanti distribuite", ossia circuiti che possiedono induttanze, capacità e

resistenze proprie pur non essendo costituiti da vere e proprie induttanze, resistenze e

condensatori. In questo senso un'antenna può essere paragonata ad un circuito

risonante LC, dotato di una frequenza propria di risonanza e di una resistenza. Lo

stesso avviene per una linea di trasmissione.

Il massimo trasferimento di energia tra generatore e carico si ha, quando le

impedenze sono uguali. In questo caso la catena è costituita da tre elementi:

→ →

trasmettitore linea di trasmissione antenna. Nel caso di adattamento perfetto

la linea e l'antenna vengono "viste" dal trasmettitore come se fossero una semplice

resistenza elettrica che assorbe tutta la potenza fornita; viceversa nel caso di parziale

disadattamento presentano un'impedenza "complessa", ossia producono uno

sfasamento tra corrente e tensione, e provocano una parziale riflessione del segnale,

che in parte viene irradiato, in parte viene dissipato lungo la linea, in parte viene

reintrodotto nel trasmettitore dove viene dissipato in calore. La condizione migliore si

ha quando l'antenna è accordata sul segnale da trasmettere, ossia possiede dimensioni

tali da "risuonare" alla frequenza che viene trasmessa. In questo caso l'impedenza

diventa puramente resistiva, e questa resistenza (detta resistenza di radiazione)

assume il suo valore massimo. La resistenza di radiazione è il parametro che

definisce l'efficienza di un'antenna, essa può considerarsi come la somma di due

resistenze, una che rappresenta le perdite, essa può considerarsi come la somma di

due resistenze,di cui una rappresenta le perdite.

Quando un’onda elettromagnetica incide su una discontinuità, 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

3

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.

L’impedenza dipende dalla forma, dimensione e materiali con cui è stata costruita

l’antenna.

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, ovvero di trarre il massimo guadagno.

Il massimo trasferimento di potenza (minima di riflessione) si ha quando:

Impedenza Antenna = Impedenza Cavo (Condizione di adattamento)

L’adattamento di impedenza permette quindi: all’antenna

a) di trasferire la maggior quantità di potenza

b) di diminuire la quantità di onde riflesse e quindi la generazione di errori.

(ecco perché si terminano le reti con cavo coassiale)

c) di minimizzare le perdite nella linea di trasmissione

Lato negativo: metà della potenza del trasmettitore viene persa.

è una caratteristica dell’antenna. E’ data dal

L’impedenza propria

materiale con cui è fatta, dalle dimensioni e dalla forma.

Non solo le antenne hanno impedenza caratteristica,

anche i cavi, i connettori, etc.. hanno la loro impedenza.

Anche loro intervengono nell’adattamento di impedenza

Altro parametro importante per un’antenna è la sua frequenza di lavoro

dalle dimensioni dell’antenna

Anche la frequenza di lavoro è determinata

Principalmente dalla sua lunghezza equivalente.

l’antenna deve essere lunga:

Per poter trasmettere efficacemente segnale

Dove lambda è la lunghezza d’onda ed n è un numero dispari.

Per descrivere l’andamento dell’irradiazione al variare della direzione esiste una

rappresentazione tridimensionale denominata solido di radiazione.

4

Nella pratica si preferisce rappresentare la direzionalità dell’antenna con i diagrammi

di radiazione ottenuti sezionando il solido di radiazione con il piano orizzontale e con

quello verticale. Dal primo si deduce la radiazione emessa su tutto il piano

perpendicolare all’antenna, dal secondo si desume la massima intensità della

radiazione nella direzione perpendicolare all’antenna.

Il diagramma di radiazione si costruisce a partire da un solido di rotazione ottenuto

tracciando con origine nell’antenna nelle direzioni di tutto l’angolo solido, un vettore

di modulo proporzionale all’intensità del campo elettrico.

Sezionando il solido ottenuto con piani si ottengono curve che costituiscono i

diagrammi di radiazione.

Un esempio di solido di rotazione e di diagrammi di radiazione di un dipolo

elementare sono riportati in figura 1). In particolare in figura a) vi è il solido di

rotazione , in figura b) il diagramma ottenuto sezionando il solido con il piano x,z ed

in figura c) il diagramma ottenuto sezionando il solido con il piano x,y.

Figura 1: a) solido di rotazione, b) diagramma di radiazione sul piano x,z, c)

diagramma di rotazione sul piano x,y.

IL GUADAGNO DI UN’ANTENNA

Indica l'intensità di radiazione dell’antenna considerata in un determinato punto e si

misura in decibel, dB. 5

Rendimento di una antenna

Si definisce rendimento η di una antenna il rapporto tra a potenza irradiata Pi e la

all’antenna:

potenza che il generatore fornisce

η = Pi/Pa

Naturalmente, a maggiore rendimento corrisponde, a parità di

alimentazione, maggiore potenza irradiata dall’antenna.

Rapporto di onde stazionarie (ROS):

Si definisce rapporto d’onda stazionaria o ROS il rapporto tra la massima e la

minima ampiezza della tensione o della corrente:

ROS =

CLASSIFICAZIONE DELLE ANTENNE

Le antenne possono essere divise in:

è l’antenna ideale di riferimento (non esiste) che presenta le stesse

Isotrope:

caratteristiche di radiazione in tutte le direzioni, presenta quindi un diagramma di

radiazione sferico.

Digramma di radiazione di un'antenna isotropa.

Sono:

▪ antenna mini-stilo.

Omnidirezionali: hanno un diagramma di radiazione circolare su un determinato

piano (isotropa su un piano) ad esempio i dipoli, loop e slotted antenna.

6

Diagramma di radiazione di un'antenna omnidirezionale.

Sono:

▪ antenna stilo;

▪ antenna round-plane.

Direttive: presenta una direzione preferenziale nella quale ha un guadagno maggiore,

Yagi

ad esempio le antenne , le c-antenna e le antenne paraboliche.

Diagramma di radiazione di un'antenna direttiva.

Sono:

▪ c-antenna (antenna a barattolo);

▪ antenna Yagi; 7

▪ antenna BiQuad;

▪ antenna parabolica;

▪ antenna slotted waveguide.

Antenne direttive

Antenne in grado di ricevere e trasmettere segnale solamente in particolari direzioni.

Antenna Cantenna o Tin can

Guadagno tipico 10-15 dB

Collegare le antenne

Per poter collegare le antenne agli apparati radio esistono diversi tipi di connettori e

cavi:

Connettore di tipo SMA e MCX (usati generalmente sugli apparati),

Connettore di tipo TNC.

I cavi utilizzati sono di tipo coassiale.

Alcuni esempi di cavi utilizzabili in 2,4 GHz sono i seguenti (in ordine di qualità):

LMR400

RG316

RG213

RG58

Bisogna comunque tenere presente che più il cavo è corto è meglio.

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

antenna e apparato.

Analisi di una antenna Cantenna

Connessione alla scheda di rete

Le guide d'onda utilizzate per la connessione tra Cantenna e scheda o router wireless

prendono il nome di pig-tail (coda di maiale).

Il pig-tail è un cavo coassiale, generalmente corto per limitare le dispersioni dovute

alla resistenza intrinseca del cavo. Da un lato serve con un connettore maschio

mentre dall'altro un connettore femmina che dipende dal dispositivo cui va

collegato, i più diffusi sono gli RP-SMA. Per la costruzione artigianale del pig-tail è

consigliabile usare del cavo coassiale di tipo LMR400

8

La cosiddetta antenna a barattolo, nota anche come Cantenna, è una delle più

semplici antenne direttive per applicazioni wireless/Wi-Fi ed è realizzabile con costi

veramente irrisori.

( il termine wireless (dall'inglese senza fili) indica i sistemi di comunicazione tra

dispositivi elettronici, che non fanno uso di cavi. I sistemi tradizionali basati su

connessioni cablate sono detti wired.

Costruiamo l’antenna a 2.4 GHz per la banda wireless

Materiale necessario

Per questo modello di Cantenna si utilizzano:

• 1 Lattina

• 1 Connettore di tipo N femmina da pannello.

• 1 Pezzo di cavo di rame da 2 mm, abbastanza lungo per fare l'antenna.

• 1 Pig-tail con le connessioni necessarie (N maschio da un lato).

• 1 Scheda di rete o router con cui testare l'antenna.

Strumentazione necessaria

Per costruire questo modello di antenna sono necessari:

• Flessibile o sega da ferro per il taglio della lattina

• Trapano per il foro nella lattina