5.3.Anteny
Antena to mało doceniany element sieci bezprzewodowej odpowiedzialny za prawidłowe przesyłanie i odbieranie informacji. W przypadku sieci bezprzewodowych o małym zasięgu (małe biuro, budynek mieszkalny), stosuje się oryginalne antenki dostarczane razem z kartą sieciową lub punktem dostępowym. Są to antenki dookólne umożliwiające uzyskanie połączenia na odległość rzędu kilkunastu metrów. W przypadku, gdy projektujemy sieć, która swoim zasięgiem powinna objąć większy obszar (np. osiedle), musimy wykorzystać dodatkowe anteny zewnętrzne. Jak pisaliśmy w rozdziale “Karty sieciowe” zasięg sieci radiowych radykalnie ograniczają wszelkiego rodzaju przeszkody: ściany, drzewa, meble w pomieszczeniach itp. Stosuje się kilka typów anten w zależności od odległości pomiędzy urządzeniami oraz funkcji jaką urządzenie pełni. Wzmocnienie anteny wynika z ograniczenia kąta jej promieniowania.
Im większe wzmocnienie anteny, tym mniejszy kąt promieniowania. Warto o tym pamiętać podczas zakupu, ponieważ sprzedawcy często zawyżają parametry swoich anten oferując np. anteny dookólne o zysku 23dBi i kącie promieniowania w pionie 30% co jest wartością niemożliwą. Powyższe opracowanie jest opracowaniem pod kątem informatycznym, dlatego nie będziemy się w nim zajmowali zagadnieniami związanymi bezpośrednio ze zjawiskami falowymi, natomiast przedstawimy aspekty podstawowe istotne dla prawidłowego funkcjonowania sieci. Ważnym elementem charakteryzującym anteny jest ich polaryzacja. W transmisji bezprzewodowej możemy spotkać się z trzema rodzajami polaryzacji [20]: polaryzacja pionowa, polaryzacja pozioma, polaryzacja kołowa. Najczęściej spotykamy anteny o polaryzacji poziomej. W przypadku, gdy łączymy ze sobą dwa urządzenia bezprzewodowe należy zwrócić uwagę na polaryzację ich anten. Najlepszą jakość sygnału otrzymamy w przypadku, gdy obie anteny promieniują fale radiowe o tej samej polaryzacji.
5.3.1.Anteny kierunkowe
Anteny kierunkowe stosowane są jako anteny klienckie. Pozwalają one uzyskać stabilne połączenia na duże odległości. Ich głównym zadaniem jest umożliwienie ustanowienia połączenia z konkretnym nadajnikiem punktu dostępowego. Im większa kierunkowość anteny tym mniejsza możliwość wystąpienia zakłóceń sygnału. Do anten kierunkowych zaliczamy:
- Anteny panelowe,
- Anteny typu Yagi,
- Anteny helikalne,
- Anteny paraboliczne.
Anteny te różnią się między sobą konstrukcją mechaniczną, typem polaryzacji oraz wzmocnieniem.
5.3.1.1.Anteny panelowe
Anteny panelowe to popularne tanie anteny kierunkowe o małym wzmocnieniu umożliwiające uzyskanie stabilnego połączenia na odległość do kilkuset metrów. Typowa antena panelowa posiada wzmocnienie rzędu 8-11dBi. Są to wartości teoretyczne, ponieważ 90% anten tego typu to anteny wyprodukowane w warunkach amatorskich na podstawie szczegółowych opisów dostępnych w sieci internet oraz w książkach dotyczących budowy sieci bezprzewodowych [3]. W praktyce wartość wzmocnienia takiej anteny zależy od staranności jej wykonania. Polaryzacja anteny panelowej zależna jest od jej zamocowania. W zależności od potrzeby antena panelowa może być wykorzystywana jako antena o polaryzacji poziomej lub pionowej (antena odwrócona o 90°). Rysunek 5.8 przedstawia typową antenę panelową o teoretycznym wzmocnieniu 8,5dBi.
Do budowy anteny użyto drutu miedzianego o przekroju 1,5mm, wygiętego w kształcie cyfry 8. Do tak powstałego elementu promieniującego dolutowano końce kabla antenowego H-155. Na rysunku 5.9 znajduje się zbudowana i przetestowana przez nas antena panelowa.
Na drucie miedzianym znajdują się ślady silikonu, za pomocą którego drut i przewód zostały przymocowane do plastikowej obudowy. Długość jednego boku anteny wynosi 31,25mm. Jak widać na rysunku zbudowanie anteny panelowej nie wymaga wielkich nakładów pracy. Można ją zbudować w ciągu kilkunastu minut. Antena ta umożliwiała wykonanie stabilnego połączenia na odległość ok. 500m, przy zastosowaniu kabla o długości 10m.
5.3.1.2.Anteny typu Yagi
Anteny typu Yagi stosowane są jako anteny klienckie w sytuacjach, gdy odległość pomiędzy łączonymi punktami jest znacznie większa. Typowe anteny Yagi mają zysk energetyczny rzędu 14-19dBi. Doświadczalnie antena Yagi Z-16Au umożliwia zestawienie pewnego połączenia na odległość 4km. Ogólnie istnieją dwa typy anten Yagi. Anteny bez obudowy, których elementy wykonane zostały z jednego kawałka metalu oraz anteny zabudowane wykonane z odpowiednio umocowanych elementów. Z własnych obserwacji polecamy zakup tych pierwszych, ponieważ jakość ich wykonania jest nieporównanie lepsza od anten umieszczanych w obudowach. Na rysunku 5.10 przedstawiono antenę Yagi Z-16Au ustawioną w polaryzacji pionowej.
Jest to antena wykonana profesjonalnie z dużą dokładnością. Głównym elementem promieniującym w tym przykładzie jest otwarty Dipol. Wyjaśnienia wymaga sprawa rozróżnienia anten z otwartym dipolem od anten z dipolem zamkniętym. Antena posiada dipol zamknięty, jeśli wykazuje zwarcie dla prądu stałego pomiędzy zaciskami na kablu antenowym. Analogicznie dipol otwarty – brak zwarcia. Z informatycznego punktu widzenia nie są istotne szczegóły dotyczące typów zastosowanego dipola, natomiast ważny jest fakt, że niektóre urządzenia NIE WSPÓŁPRACUJĄ z antenami o zamkniętym dipolu. Dotyczy to głównie punktów dostępowych. Dla przykładu D-Link AP700 lub AP2000 wyłączają swoje nadajniki po wykryciu anteny z zamkniętym dipolem. Bezproblemowo natomiast działają z dowolnymi antenami punkty dostępowe firmy Planet: WAP-4000, WAP-1963A, jak również większość kart sieciowych (np. D-Link DWL-520+). Dla porównania na rysunku 5.11 znajduje się antena Yagi wykonana w warunkach amatorskich (jest to antena sprawna, choć o zysku dużo mniejszym od przewidywanego).
Jak widać na rysunku do wykonania anteny posłużyły kawałki drutu miedzianego o przekroju 1mm umocowane w listewce drewnianej z nawierconymi w odpowiednich odległościach otworami. Jest to antena z zamkniętym dipolem. Do dipola przymocowano złącze typu N do podłączenia kabla. Większość rozwiązań tego typu nie posiada złącz, tylko przylutowany bezpośrednio kabel.
5.3.1.3.Anteny helikalne
Anteny helikalne to anteny, które powinny być wykorzystywane głównie podczas tworzenia połączeń typu punkt-punkt. Anteny te mają polaryzację kołową. Podstawową zaletą anteny helikalnej jest jej duża odporność na zakłócenia. Używając dwóch identycznych anten możemy uzyskać stabilne połączenie nawet w miejscach szczególnie narażonych na zakłócenia. Anteny helikalne występują w dwóch odmianach: lewoskrętnej i prawoskrętnej. Prawidłowo funkcjonują tylko dwie anteny tego samego typu. Antena helikalna może natomiast współpracować z dowolną anteną o polaryzacji pionowej, lub poziomej. Należy jednak pamiętać, że przy takim połączeniu wzmocnienie anteny helikalnej jest mniejsze od znamionowego. Przykładowo antena o wzmocnieniu 18dBi posiada wzmocnienie 15dBi przy współpracy z anteną o polaryzacji poziomej. Niezależnie od sposobu montażu antena helikalna zawsze promieniuje kołowo. Często zdarza się, że anteny te montowane są “przez pomyłkę”, jako zabudowane anteny typu Yagi. Rysunek 5.12 przedstawia typową antenę helikalną.
Wizualnie anteny helikalne różnią się od zabudowanych anten typu Yagi średnicą obudowy. Anteny Yagi mają zawsze większą średnicę, ponieważ ich elementy czynne mają długość 50-61mm. Na rysunku 5.13 przedstawiono wewnętrzną budowę anteny helikalnej.
Antena wykonana została w warunkach amatorskich z drutu miedzianego o średnicy 1mm nawiniętego na rurkę PCV o średnicy zewnętrznej 42mm. Z tyłu obudowy znajduje się gniazdo typu N do podłączenia przewodu antenowego. Pomiędzy drutem, a złączem typu N znajduje się pasek miedzianej blachy w kształcie trójkąta. Jest to element dopasowujący impedancję anteny. Istotne dla prawidłowego funkcjonowania anteny są: średnica rurki PCV oraz odległości pomiędzy kolejnymi zwojami nawiniętego drutu. W praktyce dostępne są specjalne kalkulatory umożliwiające przeliczenie wszystkich potrzebnych wartości w zależności od wymaganego wzmocnienia lub średnicy posiadanej rurki PCV [33]. Im więcej zwojów tym większe wzmocnienie możliwe do uzyskania za pomocą tak skonstruowanej anteny.
5.3.1.4.Anteny paraboliczne
Anteny paraboliczne umożliwiają ustanowienie połączenia na odległość rzędu kilku do kilkunastu kilometrów. Ich typowe wzmocnienie to 21-27dBi w zależności od średnicy zastosowanego talerza. Najczęściej wykorzystuje się typowe anteny paraboliczne o średnicy 60-80cm stosowane w odbiornikach telewizji satelitarnej. Zmniejsza to koszt takiej anteny, ponieważ elementy typowe wykonywane seryjnie są znacznie tańsze. W uchwycie anteny montowany jest tylko przystosowany do częstotliwości 2,4GHz promiennik. Na rysunku 5.14 przedstawiono promiennik zamontowany w uchwycie czaszy o średnicy 80cm.
W zależności od ustawienia promiennika antena może posiadać polaryzację pionową, lub poziomą (wystarczy obrócić promiennik o 90°). Jak widać na rysunku promiennik jest zbudowany tak samo jak typowa antena panelowa. Często stosuje się także promienniki innych typów (Yagi, helikalne a nawet szczelinowe). Pokazany zestaw umożliwia uzyskanie stabilnego łącza 54Mbps na odległości 3,5 km przy czym pomiędzy antenami znajduje się kilka drzew. Na rysunku 5.15 pokazano antenę paraboliczną o średnicy 60cm zbudowaną z czasy odzyskanej z zestawu Wizji TV i zwykłej anteny panelowej (ustawionej w polaryzacji pionowej). Zestaw ten umożliwiał zestawienie łącza na odległość 4km.
Ze względu na brak oryginalnego uchwytu do zamocowania konwertera antena panelowa pełniąca rolę promiennika została zamontowana na specjalnie do tego przystosowanym odcinku pręta metalowego. W takim przypadku ważnym czynnikiem mającym wpływ na zysk anteny jest umieszczenie promiennika w odpowiedniej odległości od płaszczyzny czaszy.
5.3.2.Anteny dookólne
Anteny dookólne stosowane są głównie jako anteny punktów dostępowych. Umożliwiają równomierne rozprowadzenie sygnału na dużych obszarach. W przeciwieństwie do anten kierunkowych, których zaletą jest skierowanie jak najmocniejszej wiązki promieniowania w danym kierunku anteny dookólne umożliwiają równomierne rozprowadzenie sygnału wokół nadajników. Odmianą anten dookólnych są anteny sektorowe, których zasięg w płaszczyźnie poziomej wynosi 140-170°. Ze względu na prawie identyczną budowę zostaną omówione wspólnie.
5.3.2.1.Anteny szczelinowe
Antena szczelinowa, a dokładniej falowód szczelinowy to najbardziej popularny typ anteny dookólnej. Wiąże się to z prostotą wykonania takiej anteny, a jednocześnie z dobrymi jej parametrami [3]. Wadą anten szczelinowych jest ich niejednorodne promieniowanie. Wzmocnienie typowej anteny szczelinowej to 12-19dBi. Oczywiście można znaleźć anteny o większym wzmocnieniu rzędu 21dBi. Na rysunku 5.16 przedstawiono dookólną antenę szczelinową o wzmocnieniu 16dBi.
Jest to antena wykonana zgodnie z wytycznymi Trevora Marshalla [3], [34]. W aluminiowym profilu zostały wycięte szczeliny. Na rysunku pokazano wygląd i rozmieszczenie szczelin. Teoretyczne wzmocnienie anteny zależy od ilości wykonanych szczelin, praktyczne natomiast zależy także od staranności ich wykonania. Anteny dookólne posiadają szczeliny w obydwóch ściankach profilu aluminiowego, natomiast anteny sektorowe tylko w jednej ściance. Wzmocnienie anteny sektorowej jest zawsze większe od wzmocnienia anteny dookólnej posiadającej tą samą liczbę szczelin na jednej ściance profilu aluminiowego. Wysokość anteny szczelinowej w zależności od liczby szczelin waha się pomiędzy 70 a 160 cm. Wymusza to stosowanie odpowiednio umocowanych masztów w celu zabezpieczenia anten przed wiatrem. Przedstawiona antena promieniuje w polaryzacji poziomej i nie ma możliwości jej zmiany. Wynika to z faktu, że kąt promieniowania w płaszczyźnie poziomej wynosi 360° (a dokładniej 2x180°), natomiast w płaszczyźnie pionowej 9°.
Wycięte odpowiednio szczeliny tworzą falowód. Do widocznego na zdjęciu złącza typu N dolutowano promiennik w kształcie stożka. Złącze z zamocowanym promiennikiem przedstawia rysunek 5.18.
Praktycznie wszystkie dostępne w sprzedaży anteny szczelinowe wyposażone są w złącze typu N jest to związane z gabarytami tego złącza – idealnie nadaje się do zamocowania w nim promiennika – umożliwia bezproblemowy montaż promiennika w antenie szczelinowej.
5.3.2.2.Pozostałe anteny dookólne
Najczęściej stosowanymi antenami dookólnymi są anteny szczelinowe. W sprzedaży dostępne są również anteny dookólne innych typów. Jak wspominaliśmy wcześniej wadą anteny szczelinowej jest jej niejednorodne promieniowanie. Pozbawione tej wady są anteny typu Quad. Rysunek 5.19 przedstawia antenę typu Quad o teoretycznym wzmocnieniu 15dBi.
W porównaniu z anteną szczelinową zasięg anteny typu Quad jest mniejszy, ale promieniowanie takiej anteny jest jednorodne (nie występują pasy ciszy). Zbudowanie anteny typu Quad jest sprawą stosunkowo prostą. Rysunek 5.20 przedstawia wewnętrzną budowę takiej anteny.
Elementem promieniującym jest siatka utworzona z drutu miedzianego o średnicy 1mm. Tworzy ona kwadraty o boku 31,25mm. Do drutu przylutowano bezpośrednio przewód antenowy. Powstała w ten sposób antena posiada polaryzację poziomą i umożliwia zestawienie połączenia na odległość kilkuset metrów (współpracując z antenami panelowymi). Ostatnim opisywanym typem anteny dookólnej jest antena kolinearna. Rysunek 5.21 przedstawia wygląd anteny kolinearnej.
W porównaniu z pozostałymi antenami jest to antena o bardzo małej średnicy i sporej długości. Antena posiada polaryzację pionową. Wewnętrzną budowę anteny przedstawia rysunek 5.22.
Jak można zauważyć antena zbudowana jest z dwóch typów elementów ułożonych jeden za drugim. Wzmocnienie anteny zależy od ilości połączonych ze sobą elementów [35]. Tak jak w przypadku pozostałych anten na rzeczywiste wzmocnienie anteny ogromny wpływ ma dokładność wykonania poszczególnych jej elementów.
5.4.Pozostałe komponenty sieciowe
W poprzedniej części rozdziału opisaliśmy poszczególne najważniejsze elementy sieci bezprzewodowej. W tej części rozdziału przedstawimy elementy równie ważne, mające wpływ na poziom i jakość sygnału transmitowanego przez urządzenia do łączności bezprzewodowej. Podstawowym elementem łączącym kartę sieciową lub urządzenie dostępowe z anteną jest kabel antenowy. Najważniejszym parametrem kabla antenowego jest jego tłumienie. Wartość ta podawana jest w dB/100m. Im mniejsza wartość tłumienia kabla, tym większa moc doprowadzona do anteny, czyli możliwość ustanowienia połączenia na większą odległość. W warunkach polskich najbardziej popularnym kablem jest H-155. Jest to typowy przewód antenowy wykorzystywany do łączenia anten na pasmo 2,4GHz. Rysunek 5.23 przedstawia kabel H-155.
Tłumienie kabla H-155 przy częstotliwości 2,4GHz wynosi 49,6 dB/100m [30]. Oznacza to, że strata sygnału na każdym metrze zastosowanego przewodu wynosi 0,49dB. Jest to wartość dosyć dobra. Ze względu na swoją elastyczność kabel H-155 stosuje się głównie do wykonywania połączeń kart klienckich. Kabel H-155 występuje w dwóch wersjach kolorystycznych: czarnej i białej. Ma to znaczenie podczas instalacji w mieszkaniach – biały kabel łatwiej wkomponować w wystrój mieszkania. Kolejnym często stosowanym typem kabla jest kabel H-1000. Jest to kabel o bardzo dobrych parametrach – jego tłumienie wynosi 23,2dB/100m [30]. Jego podstawową wadą poza ceną jest grubość. Rysunek 5.24 przedstawia końcówkę kabla H-1000.
Kabel ten stosowany jest najczęściej do podłączenia punktów dostępowych, gdzie ważna jest jakość połączenia, a jednocześnie odcinek łączący punkt dostępowy z anteną nie jest zbyt długi. W sprzedaży dostępnych jest wiele typów kabli, które można zastosować do podłączenia anteny np. RF-200, RF-240, RF-400. Ich parametry są porównywalne z parametrami kabli H-155, H-1000. Za korzystaniem z kabla H-155 przemawia jego popularność, a co za tym idzie cena. Aktualnie 1m kabla H-155 kosztuje w granicach 2 zł, natomiast kabel RF-240 to koszt rzędu 3-4 zł za metr. Kolejnym elementem wykorzystywanym w budowie sieci bezprzewodowych są złącza stosowane do podłączenia poszczególnych elementów. Jak wspominaliśmy wcześniej standardem złącza dla kart sieciowych jest złącze RP-SMA. Praktycznie wszystkie karty sieciowe wyposażone zostały w ten typ złącza ( idealnie nadaje się do montażu w kartach PCI). Większa różnorodność panuje jeśli weźmiemy pod uwagę punkty dostępowe, czy anteny. Zasadniczo podczas budowy sieci bezprzewodowej WiFi możemy spotkać się z następującymi typami złącz: RP-SMA, TNC, N. Dodatkowo dla kart sieciowych typu PCMCIA producenci stosują różne rozwiązania umożliwiające podłączenie anteny zewnętrznej. Rysunek 5.25 przedstawia typowe złącze RP-SMA montowane na kablu H-155.
Podczas zakupu złącz należy sprawdzić na jakiego typu kabel przeznaczone jest złącze. Inne złącze stosujemy na kable H-155, a inne na H-1000. Wynika to z grubości całego kabla, jak również z grubości żyły wewnątrz kabla. Często spotyka się złącza złocone lub zwykłe. Różnią się one ceną i parametrami tłumienia. Standardowo przyjmuje się, że jedno złącze RP-SMA tłumi sygnał o ok. 1dB. Kolejnym typem złącza jest złącze RP-TNC. Złącza te wykorzystywane są do podłączenia niektórych typów anten oraz niektórych urządzeń dostępowych (zwłaszcza produkowanych przez firmę Linksys). Rysunek 5.26 przedstawia typowe złącze RP-TNC.
Ostatnim typem złącz stosowanych w sieciach bezprzewodowych WiFi jest złącze typu N. Złącza tego typu stosuje się głównie do podłączania anten szczelinowych, choć można je spotkać także w innych typach anten. Rysunek 5.27 przedstawia typowe złącze typu N zaciskane na kabel H-155.
W przypadku, gdy posiadamy kabel ze złączem, innego typu niż podłączana antena, lub punkt dostępowy możemy zastosować złącza przejściowe (np. RP-SMA/RP-TNC itd.). Rozwiązanie takie jest przydatne w sytuacji, gdy testujemy nowe urządzenie posiadające nietypowe dla naszej sieci złącze, lub w przypadku awarii urządzenia, gdy czasowo wstawiamy na jego miejsce inne. Jako rozwiązanie docelowe zdecydowanie polecamy wykonanie kabla połączeniowego z właściwymi końcówkami. Przyczyni się to do zmniejszenia strat powstałych na drodze urządzenie nadawcze – antena, jak również do zwiększenia niezawodności całego połączenia (każde złącze to potencjalny punkt wystąpienia awarii). Czasami zachodzi konieczność podłączenia dwóch anten do jednego urządzenia dostępowego. Niektóre access pointy posiadają wyprowadzone dwa gniazda do podłączenia anten zewnętrznych. Większość jednak posiada tylko jedno takie gniazdo. W celu podłączenia dwóch lub nawet czterech anten do jednego złącza antenowego urządzenia dostępowego należy zastosować splitter (rozdzielacz sygnału). Rysunek 5.28 przedstawia wygląd typowego splittera.
Na zakończenie przedstawiamy przykładowy wygląd przewodu umożliwiającego podłączenie anteny zewnętrznej do karty PCMCIA. Niestety w tym wypadku trudno mówić o standardzie (najczęściej jest to jakaś odmiana/modernizacja złącza MCCARD). Jeśli producent wyposaży swoją kartę w złącze umożliwiające podłączenie anteny zewnętrznej to zazwyczaj jest to złącze specyficzne dla danego producenta, a często nawet dla danego typu karty. Rysunek 5.29 przedstawia pigtajl – przewód umożliwiający podłączenie anteny zewnętrznej.
