FCC průmyslové systémy
+420 472 774 173
info@fccps.cz
Praha
Ústí nad Labem
Ostrava
Bratislava
PO - PÁ
8:00 - 16:00
E-shop
Banner rubrika 1
Synchronizace času - profesionální audio/video broadcasting
Kontrola barevného odstínu světlovodičů automobilového reflektoru
Strojové učení strojového vidění
CAN FD - stručný úvod
CAN - stručný úvod
ATOP - průmyslové ethernetové switche, routery
Příklady 3G a 4G modemů
Mobilní data v proudu času
Pásma LTE/UMTS/EDGE/GSM používaná v České republice
Zajímavý výzkum na katedře měření ČVUT FEL
Kontrola sestavy čerpadla pro automobilový motor
Stroj pro kontrolu kulových čepů
Kontrolní zařízení pro kovové třmeny
Vizualizace výrobních dat, On-line reporting stavu výroby
Londýnské metro je na špici ve získávání energie pro využití ve stanicích
Elektrická (smart) dálnice
PC Nexcom zlepšuje svážení odpadků
Průvodce výběrem vhodné gateway
Jakou technologii SSD zvolit
Teaming - redundantní Ethernet pod Windows
Vizualizace výrobních dat, On-line zásobování Machinery a Assembly
Ochrana proti přepětí v kontextu průmyslové elektroniky - svodiče a galvanická izolace
Měřicí stanice pro záznam dat z průtokoměrů a měřičů hladin na modelu vodního díla
Řídicí terminály pro biologické laboratoře
Kontrola správného postupu ruční montáže chladiče klimatizační jednotky
Strojové vidění hlídá kvalitu v lakovně plechu
Kontrola plastového výlisku
PCI Express - mýty a fakta
Identifikace a kontrola přítomnosti krytu automobilového reflektoru ve stříkací lince
Stanice pro kontrolu sestavy konektoru
Kontrola 50 000 dílů za směnu
Antény pro WiFi - 1. část
Antény pro WiFi - 2. část
Základní přehled o technologii WiFi
Dodávané a podporované operační systémy pro PC

Antény pro WiFi - 2. část


Obsah

 

Běžné typy antén pro wifi

Panelové antény

Ploché panelové antény bývají konstruovány jako soustava sfázovaných zářičů v několika řadách a sloupcích. Zářiče a jejich napájecí+fázovací vedení bývají realizovány jako obrazec na plošném spoji - méně často se jedná o paralelní soustavu prostorových prvků, např. quadů.

 


Obyčejná panelová anténa pro 5 GHz
vyzařovací úhel 16o H/V, zisk 19 dBi, PSV < 2
(Zdroj)

 

Zářič na plošném spoji může třeba odpovídat dipólu nebo "patch" anténě, tzn. jedná se např. o čtverec o vhodných rozměrech, případně upravený štěrbinou apod. Jednotlivé zářiče mohou být napájeny paralelně nebo sériově.

 


(Zdroj)

(Zdroj)
Dva příklady, jak může vypadat panelová anténa vyleptaná z kuprexitu

 

Vyzařovací úhel čtvercových panelových antén bývá podobný v obou rozměrech (vodorovně i svisle). Díky tomu není problémem volba polarizace - anténa se prostě namontuje ve vhodné orientaci. Příbalové třmeny pro montáž na stožár s volbou polarity obvykle počítají.

Panelové antény se klasicky používají jako levná klientská anténa na kratší vzdálenosti.

 


Příklad - teoretická soustava několika quadroquadů.
Diagram je relativně "svisle plochý" (dáno velkou šířkou antény)

 

 

Sektorové antény

Sektorové antény jsou často konstruovány jako štíhlá patrová kombinace s jediným sloupcem zářičů.

 


Obyčejná sektorová anténa pro 5 GHz
vyzařovací úhel 90oH / 11oV, zisk 15 dBi, PSV < 1.8
(Zdroj)

 

Tvar vyzařovacího laloku bývá "vodorovně plochý", tzn. sektorová anténa je "sloupek" montovaný typicky svisle, který září v poměrně širokém úhlu vodorovně, ale v úzkém úhlu svisle. Čím vyšší anténa (čím více pater), tím užší je lalok ve svislé rovině.

Tento diagram je poměrně typický a vyskytuje se v kombinaci se svislou nebo vodorovnou polarizací. Polarizace je dána orientací jednotlivých zářičů uvnitř pouzdra a může být rovnoběžná s delším rozměrem antény, nebo na něj kolmá.

 


vyzařovací diagram

konstrukce antény
Teoretický quadroquad s prostými tyčovými reflektory
- pouze pro ilustraci, profesionální sektorové antény používají obvykle jiné zářiče

 

Sektorové antény se klasicky používají jako antény k AP, vhodné pro vykrytí určité výseče prostoru - ať už v interiéru, v areálu, nebo vysoko na střeše věžáku, pro připojení individuálních zákazníků v okolní nižší zástavbě.
Kromě vykrytí vodorovného sektoru v krajině či na podlaží lze v případě potřeby sektorovou anténu použít i k vykrytí sektoru svislého: umístěna "delším rozměrem vodorovně" může zářit z výšky na ulici mezi vysokými domy, nebo třeba ozařovat uličku mezi skladovými regály ze stanoviště pod stropem v nějakém moderním logistickém hangáru.

Pokud potřebujete ozářit sektor, který je netriviálně široký ve dvou rozměrech, hledejte potřebné úhly mezi anténami panelovými, případně se porozhlédněte po "vlnovodném" provedení.

 

Plechovkové antény a jiné vlnovodné zářiče

O anténě z plechovky od čipsů, kosteleckých párků apod. už určitě slyšel každý. V podstatě se jedná o zářič, tvořený kouskem vlnovodu, do jehož slepého konce je navázaný čtvrtvlnný pahýl (napájený koaxem). Musí to mít přesné rozměry, aby to ladilo a vazba energie byla beze ztrát = aby to mělo slušné PSV.

 


Náčrtek plechovkové antény, převzatý z "kalkulátoru"
(Zdroj - kalkulátor)

 

Kdysi dávno žil tento kalkulátor někde na saunalahti.fi. Kde jsou ty časy...

 


Jedno hezké provedení plechovkové antény (Zdroj)

 

Ovšem pokud se oprostíme od žertovných domácích provedení, platí že "ozařovač na bázi kruhového vlnovodu" (circular waveguide) je v mikrovlnné anténní technice zcela základní součástkou. Používá se totiž jako ohniskový ozařovač parabolických antén.

Otevřené ústí vlnovodu bývá opatřeno límcem nebo několika soustřednými kruhovými žebry, která jsou pochopitelné laděná, zlepšují zisk zářiče a slouží k přesnému vytvarování vyzařovacího diagramu - aby měl přesný úhel a ostré okraje, což je vhodné pro přesné ozáření paraboly.

 


Náčrtky a fotky dvou konstrukcí zářičů na bázi kruhového vlnovodu
Převzato z výtečné publikace The W1GHZ Online Microwave Antenna Book (autor Paul Wade)
(Zdroj obrázků = kapitola o napájených vlnovodech)

 

Existují také "plechovkové antény v profesionálním provedení" - tzn. kvalitně provedený vlnovodový zářič, který ovšem nesvítí na parabolu, ale do prostoru. Tyto antény lze použít v situacích, kde je třeba vykrýt přesnýsektor, poměrně široký horizontálně i vertikálně. Panelové antény (soustavy malých sfázovaných zářičů) tohle moc neumí.

 


Profesionální sektorová anténa pro 5 GHz WiFi, odvozená od ozařovače paraboly
Vyzařovací úhel 60o (horizontálně i vertikálně), zisk 11 dBi
(Zdroj)

 

 

Parabolické antény

Parabolické zrcadlo soustřeďuje paprsky do ohniska.
Případně, pokud do ohniska umístíme zdroj záření, bude parabolický reflektor vytvářet ostře směrový svazek záření. => funguje to oběma směry, jako u kterékoli antény :-)

 


parabolická anténa s trychtýřovým ozařovačem
(Zdroj)

 

Parabolická anténa s plechovým reflektorem a vlnovodným ozařovačem představuje asi nejdokonalejší způsob, jak dosáhnout velké efektivní plochy při dobrých elektrických parametrech. Plocha je dána velikostí talíře, PSV je dáno kvalitou provedení zářiče. Efektivní plocha může být prakticky libovolně velká, záleží jenom na rozpočtu. Běžně se dají koupit za rozumné peníze středové paraboly speciálně pro WiFi o průměru cca do 1 m, se ziskem až kolem 30 dBi. Velká plocha a velký zisk samozřejmě znamenají, že parabolická anténa je ostře směrová (v jednotkách stupňů) - proto je vhodná na spoje bod-bod na velké vzdálenosti.

 


Profesionální wifi parabola Maxlink - 55 cm, 29 dBi, PSV < 1.2, vyzařovací úhel 5o
(Zdroj)

 

Existuje také možnost, použít ozařovač pro WiFi pásmo a namontovat ho do "televizní" paraboly, patrně ofsetové. Pak už jde jenom o to, zvládnout uchycení a nasměrování ofsetové paraboly pod "divným" úhlem, který bude pravděpodobně mimo rozsah stavitelného polárního závěsu ofsetového talíře. Dá se to, funguje to.

Při kombinování zářiče s parabolou od různých výrobců je vhodné dát pozor na tzv. poměr f/D (ohnisková vzdálenost / průměr = parametr talíře), který by měl odpovídat vyzařovacímu úhlu použitého zářiče.
Pokud zářič neosvítí celý reflektor (pouze jeho výseč), bude mít anténa nižší zisk, než by s daným reflektorem mohla mít.
Pokud naopak zářič svítí i přes okraj reflektoru (je příliš "široký"), bude mít anténa jednak nižší zisk, druhak bude vysílat a přijímat i v jistém rozsahu úhlů "bokem a dozadu", což je velmi nežádoucí s ohledem na vysílané a přijímané rušení.

 


televizní ofsetová parabola ozářená biquadem
(Zdroj)

 

Parabolický talíř lze jistě ozářit i jednodušším zářičem, třeba na bázi dipólu nebo biquadu s reflektorem - ale tyto prosté zářiče nemají příliš ostře ohraničený hlavní lalok, vyzařovací diagram zářiče nebude přesně odpovídat talíři, výsledek nebude optimální.
Z říše legrácek jsou pak možnosti jako namontovat do ohniska USB wifi dongle nebo celé levné APčko (nejlépe indoorové). Ono to nějak funguje, ale...

 

Dvoupásmové antény (2.4 a 5 GHz)

Je třeba obecně říci, že dvoupásmová anténa je z fyzikálního hlediska v principu nesmysl. Je problém, aby nějaká struktura ladila na dvou frekvencích - ještě tak na nějakém hezkém násobku, nebo na různých celých zlomcích základní (vlnové) délky antény. Ale i tak bude problém s rozdílnou impedancí (PSV).

Aby anténa uspokojivě ladila ve dvou poměrně širokých pásmech, kde středové frekvence navíc nejsou zrovna soudělné, a aby měla v obou pásmech slušnou hodnotu PSV (= dobré impedanční přizpůsobení), to je prakticky vyloučeno.

Přesto se výrobci antén snaží, vyhovět požadavkům zákazníků (zejm. výrobců AP) a nějakou "trochu dvoupásmovou" anténu dodat. Přece jen - dvoupásmová APčka se vyrábějí, tak je třeba k nim dodat v základní výbavě nějaké trochu použitelné antény. U levných APček to výrobci zase tolik neřeší, prostě použijí nejlevnější proutek a ono to nějak (blbě) funguje. Ale u některých (relativně) dražších modelů je vidět, že se výrobce snažil.

Výsledkem jsou složité "skládané" struktury, realizované často jako mikropásky leptané na plošném spoji, ve kterých lze odhalit laděné prvky pro obě pásma. Cílem je, aby struktura antény ladila nějakým způsobem v jednom pásmu a jiným způsobem v druhém pásmu.

Zdá se, že nejkvalitnější provedení používají štíhlý proužek plošného spoje, nesoucí výrazně "připažený" skládaný dipól. "Štíhlý" vzhled je dán požadavkem, aby v tomto směru byla anténa výrazně užší ve srovnání s vlnovou délkou = aby nebyla zbytečně směrová. Z toho zároveň patrně plyne vertikální polarizace antény.
Cílem je zjevně pokud možno všesměrové vysílání v rovině kolmé na osu antény - anténa o větší ploše (podobnější "čtverci") by měla vodorovně dva výrazné laloky.

 


dual-band pádlo značky Hwayotek
trochu kuriózně vybavené konektorem N

 

Tyto kvalitnější dvoupásmové "rubber duck" antény se vyznačují plochým "pádlovitým" tvarem - je dán tím, že uvnitř pouzdra je kus plošného spoje. Dosud se vyskytovaly jenom u dražších SoHo AP - popravdě v SoHo segmentu dodnes patří APčka s podporou pásma 5 GHz k vyšší třítě. Rozšíření "pádlových" dvoupásmových antén by mohlo narůst s příchodem 802.11ac, kde je simultánní dvoupásmový provoz součástí normy.

 


Několik antén, pitvaných autory projektu Turris (CZ.NIC)
(
zdroj a další čtení)

 

Dvoupásmové antény se v jiném než základním prutovém provedení prakticky nevyskytují. Patrně proto, že od kvalitní a drahé externí antény (ať už panel, omni kolineár nebo parabolka) čeká uživatel především maximální fyzikálně možný zisk a co nejnižší PSV. Zároveň jsou tyto antény určeny obvykle pro venkovní použití, a provozní pásmo je předem známo, za provozu se nemění, jednak protože by se klienti automaticky nechytli, druhak použitá rádia jsou často jednopásmová (včetně 5GHz wifi). Všechno je to dáno racionální úvahou, že je zbytečné platit penězi a zhoršenými rádiovými vlastnostmi za dvoupásmovou schopnost, která reálně beztak nebude využita.
Pokud provider (WiSP) používá na různých místech dosud obě pásma, obecně může při "potřebě změny" např. recyklovat vyřazený starší 2.4GHz hardware (nahrazený na konkrétní lokalitě 5GHz modelem) a nechat ho dožít na méně exponované lokalitě.

 


Malá dual-band panelka TrendNet (výjimka potvrzuje pravidlo)
(zdroj a další čtení)

 

Závěrem poznámka o kabelech a konektorech

Předně je třeba říci, že na WiFi pásmech platí, že "nejlepší kabel je žádný kabel". Tedy že případný kabel mezi rádiem a anténou má být co nejkratší. V pásmu 2.4 GHz se říkávalo, že do 2 m je to OK, v pásmu 5 GHz je vhodné dodržet <1m kvalitního low-loss kabelu (RF240 apod.). Je pravda, že u čerstvě nainstalovaného zařízení má při délce 1m materiál kabelu řádově menší útlum než konektorové spoje, ale postupná akumulace vlhkosti v průběhu několika let provozu může tento poměr obrátit.

Z výše uvedeného plyne, že WiFi rádio musí být v těsné blízkosti antény. Při reálných rozměrech a odběrech WiFi access-pointů to znamená, že access-point bude namontován v odolné venkovní skříňce v těsné blízkosti antény, nebo ideálně ve společném pouzdru sdíleném s anténou.
Potažmo od "rádiové jednotky s anténou" povede dolů po stožáru už CAT5e, ve venkovním UV-stabilním provedení nebo v odpovídajícím husím krku (nebo oboje). Po tomto kabelu mohou běžet data i PoE napájení (pozor na přesný druh PoE, podporovaný WiFi rádiem).

Z hlediska reálné skladebnosti dnešního WiFi hardwaru je třeba upozornit na routerboardy = holé desky plošného spoje, u kterých se počítá s montáží do přiměřené schránky dodané uživatelem. Vyrábějí se jednak venkovní krabice pro samotný routerboard, ale také venkovní antény, jejichž pouzdro obsahuje samostatný oddíl pro montáž routerboardu. Vyrábějí se také kompletní integrované venkovní jednotky, kde je elektronika WiFi AP osazena výrobcem - toto v různých úrovních ceny, výbavy a celkového zaměření.

Pokud je elektronika WiFi rádia ve společném pouzdru s anténou, odpadá potřeba vést rádiový signál venkovním kabelem - stačí přiměřeně dlouhý (= kratičký) interní pigtail a odpadnou dva venkovní konektorové spoje, vystavené nepřízni počasí.

Integrované jednotky rádio+anténa znamenají pro uživatele nejméně práce při fyzické montáži, ale poskytují nejmenší možnost volby při kombinacích rádia (značka hardware+firmware) s anténou, na trhu je relativně malý počet modelů, pro náročnější aplikace nemusí u konkrétních modelů vyhovovat trvanlivost / stupeň krytí / kvalita chlazení rádia / vlastnosti antény apod.
O něco větší flexibilitu konfigurace poskytují antény s oddílem pro Routerboard, ale těch na trhu také není mnoho.
Maximální počet kombinací poskytuje WiFi rádio (=AP) v outdoorové schránce, propojené krátkými venkovními kabely na zvolenou sadu antén.

Pokud se týče samotné kabeláže, je třeba říci, že wifi pásma (zejm. pásmo "5 GHz") jsou na samé horní hranici, kde jsou ještě použitelné konvenční koaxiální kabely. Výš už se používají prakticky výhradně trubkové vlnovody, přímo vázané prostým zářičem na aktivní prvek (LNB, konvertor).
Kabely pro Wifi je třeba volit z kvalitních materiálů, optimálním dielektrikem je teflon (pardon: vzduch). Vhodné kabely mívají v popisu "low loss" a mívají v katalogovém listu udávaný útlum až do 6 GHz. WiFi technika funguje komplet na jmenovité impedanci 50 Ohmů, televizní 75-Ohmový materiál je tedy pro WiFi propoje nevhodný. Případné hlášky, že malý útlum (odraz) z nepřizpůsobení reálně nevadí, jsou z kategorie bastlu - kdo s čím zachází, tím taky schází - YMMV.

Jako konkrétní vhodné modely kabelů pro krátké propoje k WiFi anténám je třeba zmínit H155 nebo RF240 (LMR240, CFD240) s vnějším průměrem pláště do 6 mm. Nepříliš vhodný je obyčejný koax RG58, jinak používaný pro obecné radioamatérské a profi VF použití (je ohebnější, ale na WiFi pásmech má vyšší útlum). Pro krátké redukce v pásmu 2.4 GHz je ještě relativně použitelný.
Dají se vymyslet i elektricky kvalitnější kabely, jako RG213, H500, H1000 apod. - ale to už se bavíme o kabelech s vnějším průměrem okolo 10 mm. Historicky se takové kabely používaly pro vedení WiFi signálu na větší vzdálenosti (třeba okolo 10 m) - ale tato koncepce je dávno překonaná.
Tenké krátké pigtaily se vyrábějí z materiálů jako RG316, RG178, případně RG174 - nebo ze speciálních tenoučkých koaxů, které ani nemají RG normu.
Pro pevné propoje uvnitř rádií všeho druhu se občas používají "kabely" zvané "semi-rigid", které po naformování ochotně drží tvar. Jejich stínění se chová spíš jako měkká trubka, přestože se jedná patrně o spletenou měděnou punčochu nasáklou cínem (dielektrikum je teflon). Nepočítá se u nich s dalším pravidelným ohýbáním.

Ohledně pigtailů: výrobci průmyslových počítačů někdy dodávají jako příslušenství WiFi modulů propojovací pigtaily, které jsou pro WiFi zjevně nevhodné - je použit zbytečně tenký materiál, který útlumem vyhoví s bídou pro 900MHz GSM, nejlíp ještě s navlečenou "odrušovací" perlou... Občas dokonce najdete na konci klasický SMA konektor, namísto u WiFi obvyklého RPSMA (takže pak nejde připojit WiFi anténa). Vzhledem k tomu, že levné WiFi kartičky neurčitého původu mají obvykle na výstupu standardní konektor U.FL, není problém použít komoditní "wifinářský" pigtail z tlustšího materiálu od prověřeného tuzemského dodavatele.

Tím se dostáváme ke konektorům... Pokud si WiFi hardware skládáte sami, pro náročnější nasazení jsou vhodná rádia a pigtaily s konektory MMCX - jsou mechanicky robustnější a díky tomu i elektricky kvalitnější než vaklavý U.FL. Bohužel se MMCX mnohdy nevejde do stísněných prostor v průmyslových počítačích a podobném miniaturním hardwaru.
Pro vyvedení WiFi z krabiček všeho druhu se obvykle používá konektor "reverzně-polarizovaný SMA", tzn. SMA s prohozeným pohlavím středového kontaktu (dutinka/kolík) - konkrétně na APčku je vnější závit a uprostřed kolík, v anténě je dutinka.
Pro použití ve venkovním prostředí je vhodnější a taktéž velmi rozšířený konektor "N" - oproti (RP)SMA je mechanicky robustnější a je k dispozici ve variantách pro různé tloušťky/modely koaxiálních kabelů, v provedení krimpovacím nebo šroubovacím. Konektory se šroubovací montáží na kabel poskytují patrně vodotěsnější a vzduchotěsnější spoje, protože tělo konektoru lépe těsní proti plášti kabelu - což by velmi teoreticky dávalo šanci na menší nasávání vzduchu / kondenzaci vlhkosti. (Bohužel středový pin není do těla konektoru utěsněn, takže kabel bude přisávat vzduch okolo středového pinu skrz připojené zařízení.)

Na úrovních WiFi signálu je znát i trochu ostřejší ohyb a stárnutí (vlhnutí) kabelu, které stejnosměrným ohmmetrem nemáte šanci změřit. Toto platí pro kabely všech průměrů, relativně k průměru a povolenému poloměru ohybu (který třeba ani nemusíte porušit). A jak praví dávná anténářská moudrost, kabely je třeba na stožár vyvázat tak, aby pokud možno neplandaly a nevibrovaly ve větru (což by vedlo k jejich rychlejšímu chřadnutí).

 

Odkazy na další čtení

Bastlené quadro-quady: #1#2#3

 

O Quadech od pana Macouna [OK1VR]: #1#2

Rubber duck

CZ.NIC, Turris - o dual-bandových rubber duck anténách

Paralelní řazení antén, fázovací triky #1 #2

Zajímavé anténní intro firmy Kathrein - netýká se sice přímo wifi, ale popisovaná teorie je značně obecná.

Paul Wade: The W1GHZ Online Microwave Antenna Book

Eshop
Youtube
Magazín
Kalalog
Kalalog
FCC průmyslové systémy


Již 20 let na českém trhu

FCC průmyslové systémy je technicko – obchodní společností, zastupující významné výrobce v oblasti průmyslové automatizace a telekomunikační techniky. V oblasti průmyslové automatizace zahrnuje naše nabídka spektrum sahající od senzorových systémů přes průmyslové sběrnice a průmyslové komunikace po průmyslové výpočetní, řídicí a dispečerské systémy na bázi specializovaných PC. Naší významnou specializací jsou systémy pro strojové vidění využívané v oblasti výrobní automatizace a kontroly kvality. Spolupracujeme s nejvýznamnějšími světovými dodavateli průmyslové výpočetní techniky a komunikací z Evropy a Asie a disponujeme i vlastním vývojovým a konstrukčním zázemím včetně vývoje softwaru.

up