Embed Size (px)
Citation preview
ΠΡΑΚΤΙΚΟΣ ΟΔΗΓΟΣ ΚΕΡΑΙΩΝ WiFi
Ποια κεραία να επιλέξω; Τι πρέπει να γνωρίζω; Τι πρέπει να προσέξω;
Σωκράτης Πανουσίου (socrates.. @.. awmn.net)
(2002-2007: Athens Wireless Metropolitan Network)
Ποια κεραία πρέπει να επιλέξω; Τι πρέπει να γνωρίζω; Τι πρέπει να προσέξω;
Το παρόν κείµενο αποτελεί έναν πρακτικό οδηγό
επιλογής κεραιών για εξωτερικές συνδέσεις στις ISM
µπάντες 2,4 και 5GHz. Ο όρος “πρακτικός”
χρησιµοποιείται επειδή πέρα από την θεωρεία, ο οδηγός
βασίζεται στην εµπειρία που έχει αποκοµιθεί από την
υλοποίηση-ανάπτυξη ενός Μητροπολιτικού Ασύρµατου
Δικτύου µεγάλης κλίµακας, του AWMN (Athens Wireless
Metropolitan Network).
Στον οδηγό θα αναφερθούµε µε απλά λόγια σε βασικές
έννοιες και τα χαρακτηριστικά συνηθισµένων µοντέλων
κεραιών. Σε αντίθεση µε άλλα παρόµοια κείµενα σχετικά
µε κεραίες, δεν θα επικεντρωθούµε σε µαθηµατικούς
τύπους και σχεδιαστικές λεπτοµέρειες, που µπορούν να
κάνουν τα απλά πράγµατα να φαίνονται πολύπλοκα και
αφορούν περισσότερο την σχεδίαση-κατασκευή παρά την
επιλογή κεραιών.
Σε ποιους αναφέρεται το παρόν;
Αφορά όλους όσους ασχολούνται (ή σκοπεύουν να
ασχοληθούν) είτε ως χόµπι είτε ως επάγγελµα µε τα
ασύρµατα δίκτυα WiFi και θέλουν να µάθουν σχετικά µε
τις κεραίες που χρησιµοποιούνται σε εξωτερικές ζεύξεις.
Ποιες είναι οι προαπαιτούµενες γνώσεις;
Καµία. Όλοι µπορούν να διαβάσουν και να κατανοήσουν
τις βασικές έννοιες των κεραιών. Παρόλα αυτά κάποιες
προαιρετικές γνώσεις (Λειτουργία ποµποδέκτη, θεωρεία
των Η/Μ κυµάτων, µονάδες dB, κατανοµή συχνοτήτων,
πρότυπα IEEE WiFi) θα βοηθήσουν στην περαιτέρω
ανάλυση και κατανόηση του κειµένου.
Στο τέλος...
Θα είστε ικανοί να ξεχωρίσετε και να επιλέξετε βάση των
ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της, την κεραία που είναι η
καταλληλότερη για τις ανάγκες σας.
Περιεχόμενα > Τι είναι κεραία; Ορισμός > Κατηγοριοποίηση Κεραιών > Λειτουργία: Λήψη/Εκπομπή > Κατευθυντικές–Πολυκατευθυντικές > Παραβολικές Κατευθυντικές > Waveguides, Yagi και Panel > Omni, Sector: Πολυκατευθυντικές > Sectorized Omni > Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά Κεραιών > Κεντρική Συχνότητα > Διάγραμμα ακτινοβολίας > Κατευθυντικότητα, gain και dB > Side/back Lobes, F/B Ratio > Πόλωση > Σύνθετη Αντίσταση (Impedance) > Μέγιστη Ισχύ > Απόδοση (Efficiency) > Μηχανικά Χαρακτηριστικά Κεραιών > Φυσικό Μέγεθος > Ποιότητα Κατασκευής > Στήριξη > Στόχευση > Ασφάλεια > Όρια Εκπομπής > Αντικεραυνική Προστασία > Σχεδίαση & Ασφάλεια Συνδέσεων > Επίλογος Παραρτήματα Οδηγού Κεραιών Ι. Οδηγός Αγοράς – Φόρμα ΙΙ. Συγκριτικό Πινακάκι Κεραιών ΙΙΙ. Βασικοί Ορισμοί
@2006-2007, Αφιερωµένο στον Στέλιο
(wireless_surfer)!
Η κεραία δεν είναι τίποτα άλλο παρά µια διάταξη µε αγωγούς που επιτρέπει
αποτελεσµατικά εκποµπή ή/και λήψη ραδιοκυµάτων βάση του
φαινόµενου της ηλεκτροµαγνητικής επαγωγής. Όταν λειτουργεί ως τµήµα
του δέκτη λαµβάνει ραδιοκύµατα και τα µετατρέπει σε εναλλασσόµενο
ρεύµα, και όταν λειτουργεί ως τµήµα του ποµπού, λαµβάνει
εναλλασσόµενο ρεύµα και το µετατρέπει αντίστοιχα σε ραδιοκύµατα [εικ. 1].
Εικ. 1: Αναπαράσταση Ποµπού – Δέκτη
Συναντιέται µε µεγάλη ποικιλοµορφία σε µεγέθη και σχήµατα. Μπορεί να
είναι κυλινδρική, επίπεδη, να είναι ογκώδης αποτελώντας συστοιχία από
επιµέρους κεραίες, ή ακόµα να είναι διακριτική όσο ένα κοµµάτι καλωδίου.
Η πιο απλή κεραία είναι το δίπολο το οποίο ονοµάζεται και "στοιχειώδες
βραχύ δίπολο" ή "δίπολο του HERTZ" [εικ. 2]. Στο παρόν κείµενο θα
εστιάσουµε την προσοχή µας στις εξωτερικές κεραίες που εξυπηρετούν
ασύρµατες συνδέσεις ενός WLAN, στις µπάντες 2,4GHz και 5GHz.
Εικ. 2: Ένα δίπολο µε κεντρική συχνότητα την 2,45GHz (µήκος κύµατος λ=122mm)
H κεραία αποτελεί απαραίτητο στοιχείο ενός ασύρµατου ποµποδέκτη
(transponder) και φαινοµενικά είναι ένα από τα πιο απλά µέρη. Παρόλα
αυτά, όπως θα φανεί παρακάτω, ο ρόλος της για µια σταθερή και
απροβληµάτιστη ζεύξη είναι µεγάλος και θα πρέπει να κάνουµε την επιλογή
µας µε ιδιαίτερη προσοχή.
Κατηγοριοποίηση Κεραιών
Διπλή Λειτουργία – Λήψη/Εκποµπή
Όπως προαναφέραµε στον ορισµό, η βασική λειτουργία της κεραίας σε ένα
σύστηµα ποµποδέκτη είναι διπλή και αφορά την λήψη καθώς και την
εκποµπή ηλεκτροµαγνητικών σηµάτων. Οι κεραίες που χρησιµοποιούνται
για εκποµπή, λειτουργούν σωστά µέχρι µία συγκεκριµένη στάθµη σήµατος
(maximum power rating), ενώ οι κεραίες που χρησιµοπούνται για λήψη
µπορεί να διαφέρουν στις ιδιότητες απόρριψης θορύβου. Σε αντίθεση µε τις
κεραίες της τηλεόρασης που έχουµε σχεδόν όλοι στις ταράτσες µας και ο
ρόλος τους περιορίζεται στην λήψη µόνο σηµάτων, οι κεραίες που
χρησιµοποιούµε για την δηµιουργία ασύρµατων ζεύξεων είναι διπλός και
αφορά και λήψη και εκποµπή από την ίδια κεραία (reciprocity). Σε
εξαιρετικές περιπτώσεις µε ειδικές κάρτες ασύρµατου δικτύου που
ξεχωρίζουν τον δέκτη από τον ποµπό, µπορούµε να αφιερώσουµε δύο
κεραίες φτιάχνοντας ένα κεραιοσύστηµα όπου η µία κεραία θα αναλάβει
την εκποµπή και η άλλη την λήψη. Για λόγους όµως οικονοµίας και
ευκολίας εγκατάστασης έχει επικρατήσει η λύση της µονής κεραίας µε
διπλό ρόλο. Είναι σηµαντικό εποµένως να λάβουµε υπόψη µας ότι
οποιαδήποτε βελτίωση του σήµατος που θα επιτύχουµε µε την σωστή
επιλογή και τοποθέτηση µιας κεραίας, υφίσταται επί δύο αφού µας
επιτρέπει πέρα από το να στέλνουµε καλύτερα να λαµβάνουµε και
καλύτερα. Από εδώ και στο εξής όπου αναφερόµαστε σε εκποµπή θα
εννοούµε και την λήψη.
Είδος Ζεύξης – Τύποι Κεραιών [q2]
Ο πιο εύκολος τρόπος για να πραγµατοποιήσουµε µε επιτυχία µια
εξωτερική ζεύξη σε κάποια απόσταση είναι η χρήση εξωτερικών κεραιών
που θα αυξήσουν κατά πολύ την εµβέλεια εκποµπής µας χωρίς να
χρειαστεί να ενισχύσουµε το σήµα από τον ποµπό. Η επιλογή της κεραίας
µας γίνεται ανάλογα µε το είδος εξωτερικής ζεύξης που θέλουµε να
πραγµατοποιήσουµε [εικ. 3].
α. Ζεύξη Σηµείο µε Σηµείο β. Ζεύξη Σηµείου µε Πολλαπλά Σηµεία
Εικ. 3: Point to Point και Point to Multipoint Ζεύξεις
Κάθε περίπτωση είναι ξεχωριστή και πρέπει να σκεφτόµαστε και τα δύο
άκρα, αφού το αδύνατο άκρο καθορίζει και την ποιότητα της σύνδεσης.
Όταν θέλουµε να συνδέσουµε δύο σταθερά σηµεία (Point to point
συνδέσεις) µας ενδιαφέρουν κεραίες που ενισχύουν την εκποµπή προς µία
συγκεκριµένη κατεύθυνση αυξάνοντας µε αυτόν τον τρόπο και την
εµβέλεια, ενώ αντίθετα όταν θέλουµε να κάνουµε σύνδεση ενός σταθερού
σηµείου µε πολλαπλά σηµεία σε διαφορετικές κατευθύνσεις ή µε µη
σταθερά σηµεία (Point to Multipoint: Access Points, Hot Spots) τότε µας
ενδιαφέρουν κεραίες οι οποίες εκπέµπουν παγκατευθυντικά. Εποµένως µια
βασική κατηγοριοποίηση των κεραιών είναι ανάλογα µε την
κατευθυντικότητα τους [εικ. 4].
Εικ. 4: Από αριστερά στα δεξιά. Κατευθυντική, Ηµι-κατευθυντική, Παγκατευθυντική
Οι πιο συνηθισµένες κεραίες που προσφέρουν υψηλή κατευθυντικότητα
είναι οι παραβολικές. Οι omni και οι sector κεραίες είναι χαµηλής
κατευθυντικότητας (παγκατευθυντικές ή πολυκατευθυντικές). Στη
συνέχεια θα αναλύσουµε τα πιο συνηθισµένα µοντέλα κεραιών. Επίσης
µπορείτε να δείτε στο Παράρτηµα IΙ ένα συγκριτικό πινακάκι των πιο
συνηθισµένων τύπων κεραιών.
Παραβολικές Κατευθυντικές
Grid Offset Prime Focus
Ο πιο συνηθισµένος τύπος κατευθυντικής κεραίας που προσφέρει υψηλή
κατευθυντικότητα σε λήψη και εκποµπή µε µικρές σχετικά διαστάσεις. Μια
τυπική παραβολική κεραία αποτελείται από ένα παραβολικό κάτοπτρο
που φωτίζεται από µια µικρή κεραία που παίζει το ρόλο του τροφοδότη ή
αλλιώς feeder. Το κάτοπτρο είναι µια παραβολική µεταλλική επιφάνεια η
οποία σχηµατίζει (συνήθως) ένα κυκλικό πλαίσιο το οποίο αποτελεί και την
διάµετρο της κεραίας. Πρόκειται για παθητικό στοιχείο και η χρήση του
περιορίζεται στο να ανακλά τα ραδιοκύµατα που δέχεται από το feeder
παράλληλα προς µία κατεύθυνση όταν εκπέµπει ή να συγκεντρώνει τα
ραδιοκύµατα που δέχεται προς το feeder. Ο τροφοδότης (feeder) είναι µια
χαµηλής κατευθυντικότητας µικρή κεραία που εστιάζει στο κάτοπτρο, όπως
ένα δίπολο, ένας κυµατοδηγός (waveguide horn), ή ακόµα και µια µικρή
yagi. Σε πιο πολύπλοκες (και πιο σπάνιες) κατασκευές, όπως η
Cassegrain παραβολική κεραία, για ακόµα καλύτερη απόδοση
χρησιµοποιείται και δεύτερο βοηθητικό κάτοπτρο έτσι ώστε να αποφευχθεί
η τοποθέτηση του feeder µέσα στην κεντρική δέσµη εστίασης της κεραίας
[εικ. 5]. Το feeder είναι συνδεδεµένο µέσω καλωδίου µε την συσκευή που
παίζει το ρόλο του ποµπού ή του δέκτη. Η κατασκευή του κατόπτρου
µπορεί να είναι είτε συµπαγής είτε πλέγµατος (grid). Γενικά τα κάτοπτρα
που είναι συµπαγή εµφανίζουν καλύτερες ιδιότητες αλλά είναι πιο βαριά
και δέχονται µεγαλύτερες πιέσεις από τον αέρα. Ειδικές περιπτώσεις
παραβολικών κεραιών είναι τα offset και τα cassegrain [εικ. 5].
Εικ. 5 Τύποι παραβολικών κεραιών. Ο σχεδιασµός τους επιτρέπει να συλλέγουν σήµατα
προς ένα σηµείο και να εκπέµπουν παράλληλα προς µία κατεύθυνση.
Στα πρώτα το feeder τοποθετείται πάλι µπροστά από το κάτοπτρο αλλά
αυτή την φορά αντίθετα µε τα prime focus εστιάζει µόνο σε ένα µέρος
του κατόπτρου (το οποίο παρότι µοιάζει κυκλικό δεν είναι συµµετρικό προς
όλες τις µεριές). Με αυτό τον τρόπο αποφεύγεται να µπει το feeder που
είναι ενεργό στοιχείο µπροστά από την κεντρική εκποµπή. Η επιλογή του
offset είναι συνήθης στους ραδιοερασιτέχνες αφού εύκολα και φτηνά
µπορούν να φτιάξουν µια ποιοτική κεραία. Τα cassegrain είναι πιο εξωτικές
κατασκευές και όπως προαναφέρθηκε χρησιµοποιούν δεύτερο βοηθητικό
ανακλαστήρα-κάτοπτρο. Είναι ιδιαίτερα χρήσιµα στην περίπτωση που
θέλουµε να τοποθετήσουµε το ράδιο πάνω στο feeder και πίσω από το
κάτοπτρο (µε αυτόν τον τρόπο µπορούµε να µειώσουµε στο ελάχιστο τις
απώλειες του καλωδίου). Σηµαντική παράµετρος σε ένα παραβολικό πιάτο
είναι η αποφυγή του υπερφωτισµού (spillover) που µπορεί να προκληθεί
από λάθος επιλογή και τοποθέτηση του feeder (ή του βοηθητικού
κατόπτρου στην περίπτωση του cassengrain) κάτι που µπορεί να αλλιώσει
αρκετά το διάγραµµα ακτινοβολίας της κεραίας και να ενισχύσει τους
πλάγιους λοβούς της. Σε πιο ακριβά – επαγγελµατικά κεραιοσυστήµατα για
την µείωση των φαινοµένων που προκαλούνται από τον υπερφωτισµό,
µερικές φορές χρησιµοποιούνται πλαϊνοί microwave absorbers. Ίσως έχετε
δει κάποιες παραβολικές κεραίες που στην εξωτερική τους εµφάνιση
θυµίζουν “τύµπανα” οι οποίες εσωτερικά στα πλαϊνά τους είναι ενισχυµένες
µε φύλα από υλικά όπως η ουρεθάνη ή η σιλικόνη και που απορροφούν
µέρος των µη ωφέλιµων µικροκυµάτων.
Μη παραβολικές κατευθυντικές κεραίες.
backfire waveguide Yagi Panel
Πέρα από τις παραβολικές κατευθυντικές για το στήσιµο ενός WLAN
υπάρχουν και οι µη παραβολικές κατευθυντικές. Οι πιο συνηθισµένες είναι
οι Yagi και τα Panels. Επίσης υπάρχουν οι κεραίες κυµατοδηγοί
(waveguides) και οι backfire που µε µικρό σχετικά µέγεθος µπορούν να
φτάσουν µέχρι και τα 15dBi. To πλεονέκτηµα τους είναι ότι είναι σχετικά
µικρές κεραίες άρα και διακριτικές και εύκολες στο στην τοποθέτηση. Το
µειονέκτηµα τους έναντι των παραβολικών είναι ότι δεν έχουν µεγάλη
κατευθυντικότητα κάτι που είναι ιδιαίτερα σηµαντικό σε µητροπολιτικές
συνδέσεις όπου υπάρχουν σηµαντικές παρεµβολές και τα διαθέσιµα
‘καθαρά’ κανάλια λιγοστά (σηµειώστε ότι παγκατευθυντική εκποµπή
σηµαίνει και παγκατευθυντική λήψη).
Οι Yagi ή Yagi-Uda πήραν το όνοµά τους από το ιαπωνικό δίδυµο που τις
πρωτοκατασκεύασε, Hidetsugu Yagi και Shintaro Uda. Χαρακτηριστικό τους
είναι τα ζεύγη στοιχείων που σχηµατίζουν την µορφή ‘ψαροκόκαλου’ και
τις συναντάµε συχνά στις κεραίες λήψης τηλεοπτικών σηµάτων. Όπως
φαίνεται και στην εικόνα [εικ. 6] όπου εµφανίζεται µια τυπική Yagi 7
στοιχείων τα στοιχεία της Yagi είναι τριών ειδών, το ενεργό στοιχείο, ο
ανακλαστήρας και οι οδηγοί.
Εικ. 6: Το µοναδικό στοιχείο που έχει σύνδεση µε την ραδιοσυσκευή είναι το Εν. Στοιχείο
Μόνο το ένα είναι ενεργό στοιχείο (driving element) και είναι
συνδεδεµένο απευθείας µε την γραµµή τροφοδοσίας. Τα άλλα δύο
προσδίδουν στην κατευθυντικότητα της κεραίας. Όσο περισσότερα στοιχεία
έχει η κεραία τόσο πιο κατευθυντική είναι. Οι yagi κεραίες που
προορίζονται για WiFi συνδέσεις είναι πιο µικρές από αυτές που
προορίζονται για λήψη τηλεοπτικού σήµατος και συνήθως περιβάλλονται
από ένα πλαστικό προστατευτικό περίβληµα έτσι ώστε να διατηρούν την
απόδοση τους σταθερή χωρίς να επηρεάζονται από φθορές που
προκύπτουν από µακροχρόνια έκθεση σε εξωτερικές συνθήκες (όπως πχ η
υγρασία). Συνήθως προτιµούνται λόγω του σχήµατος τους εκεί που δεν
υπάρχει µεγάλη επιφάνεια στήριξης.
Τα panel είναι συνήθως επίπεδα και έχουν µικρό σχετικά πάχος. Είναι
ιδιαίτερα διακριτικά και επιλέγονται ακόµα και για εσωτερικές συνδέσεις ή
για τοποθετήσεις κατευθείαν πάνω σε τοίχο.
Παγκατευθυντικές - Πολυκατευθυντικές.
Omni Sector Sectorized Omni
Η µοναδική κεραία που είναι πλήρως κατευθυντική και στις τρεις
διαστάσεις είναι η λεγόµενη ισοτροπική (δεν υπάρχει, δεν µπορεί να
φτιαχτεί, αλλά χρησιµοποιείται ως σηµείο αναφοράς σε εργαστηριακές
µετρήσεις). Η πιο κοντινή υπαρκτή κεραία στην ισοτροπική είναι το δίπολο
του Herz (το διάγραµµα ακτινοβολίας του θυµίζει “ντόνατ”). Επειδή όµως
στην εξωτερική κάλυψη µιας περιοχής µας ενδιαφέρει η αυξηµένη εµβέλεια
της κεραίας (µε ελάχιστη ισχύ από τον ποµπό) επιλέγουµε κεραίες οι οποίες
ναι µεν διατηρούν την πολυκατεθυντικότητα τους στο οριζόντιο επίπεδο,
αλλά θυσιάζουν την πολυκατευθυντικότητα τους στο κάθετο που δεν µας
ενδιαφέρει και τόσο να έχουµε πολύ µεγάλο εύρος δέσµης. Τέτοιου είδους
παγκατευθυντικές κεραίες είναι οι omni και οι sector.
Αρκετά συνηθισµένος τύπος κεραιών είναι οι omni. Το χαρακτηριστικό
τους είναι ότι εκπέµπουν κατά 360° στο οριζόντιο επίπεδο και για αρκετές
µοίρες στο κάθετο. Το εύρος δέσµης εκποµπής στο κάθετο επίπεδο
καθορίζει και την κατευθυντικότητα της omni. Οι omni που
χρησιµοποιούνται για εξωτερικές συνδέσεις αποτελούνται από µια σειρά
από δίπολα τις περισσότερες φορές κάθετα ως προς το οριζόντιο επίπεδο
σχηµατίζοντας µε αυτόν τον τρόπο µια κεραία σαν ¨ραβδί¨ (πιο σπάνια
υπάρχουν άλλες υλοποιήσεις). Όσο περισσότερα στοιχεία-δίπολα
χρησιµοποιούνται τόσο αυξάνει η κατευθυντικότητα της κεραίας.
Πολλές φορές αντί για omni χρησιµοποιείται κεραία τύπου sector.
Χρησιµοποιείται για να καλύψει µια επιλεγµένη περιοχή και έχει εύρος
δέσµης εκποµπής στο οριζόντιο επίπεδο που µπορεί να φτάσει τις 180°.
Έχουν µεγαλύτερη εµβέλεια από τις omni και είναι σχεδιασµένες έτσι ώστε
να έχουν µεγαλύτερο downtilt κάτι ιδιαίτερα χρήσιµο όταν τοποθετούνται
σε αρκετά πιο ψηλά σηµεία συγκριτικά µε τα σηµεία που είναι να γίνουν οι
συνδέσεις. Η ρύθµιση του downtilt µας επιτρέπει επίσης να ελέγξουµε την
εµβέλεια της κεραίας ώστε να µην αλληλοπαρεµβάλουµε µε άλλες κεραίες.
Σε πιο απαιτητικές εφαρµογές που θέλουµε να συνδυάσουµε τα οφέλη της omni (κάλυψη 360°) µε αυτά της sector (ρυθµιζόµενη εµβέλεια, αυξηµένο
downtilt) χρησιµοποιούµε ένα κεραιοσύστηµα που αποτελείται από µια σειρά από sector κεραίες (sectorized omni: σύνηθες σε κεραίες κινητής τηλεφωνίας). Αν εξαιρέσουµε το µειονέκτηµα του κόστους που αυξάνει αρκετά υπάρχουν αρκετά οφέλη.
1. Αυξηµένη χωρητικότητα πελατών (client capacity). Κάθε κεραία µπορεί να χρησιµοποιήσει ξεχωριστό ράδιο, εποµένως µπορεί να αυξηθεί ο αριθµός των συνδέσεων ανά περιοχή. Έτσι για παράδειγµα αν χρησιµοποιείτε για ένα 802.11b Access Point τρεις sector 120° µε
κανάλια λειτουργίας το 1, 6, 11 αντίστοιχα, θα µπορέσετε να τριπλασιάσετε την χωρητικότητα των συνδέσεων αφού θα υπάρχουν λιγότερες συνδέσεις ανά κεραία από ότι στην περίπτωση χρήσης omni.
2. Υψηλότερο gain / καλύτερο επίπεδο σήµατος. Όπως προαναφέρθηκε για τις κεραίες τύπου sector χάρη στο ρυθµιζόµενο downtilt/uptilt επιτρέπουν να οριστεί καλύτερα η περιοχή κάλυψης τους.
3. Αυξανόµενη διαθεσιµότητα στα κανάλια συχνοτήτων. Με καλό σχεδιασµό και από την στιγµή που κάθε sector χρησιµοποιεί διαφορετικό κανάλι σε µια περιοχή, είναι δυνατό να λειτουργήσει χωρίς παρεµβολές ένα δεύτερο Access Point σε απόσταση που να καλύπτει µέρος ή την ίδια περιοχή.
4. Ελαχιστοποίηση των αλληλοπαρεµβολών. Προσέχοντας τα κανάλια που θα χρησιµοποιηθούν για τις sector κεραίες, έτσι ώστε να έχουν την µέγιστη απόσταση µεταξύ τους, µπορούµε να αποµονώσουµε τις αλληλοπαρεµβολές των κεραιών µας.
5. Αυξηµένη διαθεσιµότητα. Αν ένα ράδιο/sector πάθει βλάβη, τα υπόλοιπα θα συνεχίσουν να λειτουργούν κανονικά. Με αυτόν τον τρόπο µειώνουµε αρκετά το downtime του Access Point.
Ηλεκτρικά Χαρακτηριστικά Κεραιών
Υπάρχουν κάποιες κρίσιµες παράµετροι, οι οποίες προσαρµόζονται κατά την
διαδικασία σχεδίασης, και επηρεάζουν σηµαντικά την απόδοση της κεραίας.
Αυτές είναι: η κεντρική συχνότητα λειτουργίας, το διάγραµµα
ακτινοβολίας, η µέγιστη απολαβή, η πόλωση, το εύρος λειτουργίας (για
λήψη), η µέγιστη επιτρεπόµενη ισχύ (για εκποµπή), η απόδοση (για λήψη).
Κεντρική Συχνότητα [q1]
Πριν επιλέξετε µια κεραία θα πρέπει να γνωρίζεται την κεντρική συχνότητα
και το εύρος των συχνοτήτων που µπορεί να λειτουργήσει αποτελεσµατικά.
Στην Ελλάδα οι συχνότητες που είναι ελεύθερες για εξωτερική χρήση WiFi
είναι οι 2401-2483 MHz (802.11b, 802.11g) και 5470-5725 MHz
(802.11a).
Διάγραµµα Ακτινοβολίας
Όλες οι κεραίες έχουν συγκεκριµένο τρόπο για το πως εκπέµπουν (άρα και
το πως λαµβάνουν) στον χώρο. Εποµένως είναι σηµαντικό όταν θέλουµε
να επιλέξουµε µια κεραία να εξετάσουµε το διάγραµµα ακτινοβολίας της
στον χώρο (ή αλλιώς πρότυπο εκποµπής – radiation pattern - aperture),
το οποίο µας δίνει µια γρήγορη εικόνα σχετικά µε το πως συµπεριφέρεται η
κεραία [εικ. 7]. Για την ευκολία µας η ανάλυση του τρισδιάστατου
διαγράµµατος ακτινοβολίας αναλύεται σε δύο διαστάσεις κάθετα
(vertical/elevation ή E-Plane) και οριζόντια (horizontal/azimuth ή H-Plane)
συνθέτοντας αντίστοιχα, το κάθετο και το οριζόντιο διάγραµµα
ακτινοβολίας [εικ. 8].
Εικ. 7: 3d διαγράµµατα κεραιών στον χώρο. Sector (πάνω), Grid parabolic (κάτω
αριστερά), Panel (κάτω δεξιά).
Εικ. 8: Αναπαράσταση 3d-Διαγράµµατος Ακτινοβολίας Διπόλου σε 2d (οριζόντιο & κάθετο).
Για τον εντοπισµό κάποιων ιδιαίτερων χαρακτηριστικών εκποµπής στον
χώρο µιας κεραίας (βλ. κατευθυντικότητα, f/b ratio, πλάγιοι λοβοί, εύρος
δέσµης), κατευθείαν από το διάγραµµα, η περίµετρος του προσαρµόζεται
στο σηµείο που η κεραία έχει την µέγιστη απολαβή. Αυτό πολλές φορές
µπορεί να ξεγελάσει όσους θέλουν να συγκρίνουν δύο κεραίες µεταξύ τους
όσον αφορά την απόσταση που αυτές µπορούν να καλύψουν µε
συγκεκριµένη στάθµη σήµατος.
Μια δεύτερη αναπαράσταση του διαγράµµατος ακτινοβολίας µπορεί να γίνει
µε την χρήση ενός καρτεσιανού διαγράµµατος [εικ. 8], όπου στον οριζόντιο
άξονα έχουµε σύνολο 360 µοίρες και τον κάθετο την απολαβή (βλ. gain)
της κεραίας.
Εικ. 8: Καρτεσιανό διάγραµµα αντίστοιχο του κάθετου διαγράµµατος ακτινοβολίας ενός
δίπολου
Αυτή η αναπαράσταση βολεύει περισσότερο στην σύγκριση δύο κεραιών
µεταξύ τους, αφού φαίνεται καλύτερα η διαφορά του gain τους, άρα και
της απόστασης που µπορούν να καλύψουν µε συγκεκριµένη στάθµη
σήµατος και µάλιστα σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Επίσης µπορούµε να
συγκρίνουµε την επίδραση που θα έχει µια µετατροπή στην ίδια την
κεραία. [εικ. 9]
Εικ. 9 Συγκριτικό καρτεσιανό διάγραµµα κατευθυντικών κεραιών
Κατά την σχεδίαση µιας κεραίας, µε προσεχτική τοποθέτηση των στοιχείων
της κεραίας µπορούµε να περιορίσουµε την εκποµπή προς µία κατεύθυνση
και να την ενισχύσουµε προς µια άλλη, αλλάζοντας µε αυτόν τον τρόπο το
διάγραµµα ακτινοβολίας της. Για να φτιαχτεί το ακριβές διάγραµµα
ακτινοβολίας µιας κεραίας απαιτείται ειδικός εξοπλισµός και
πραγµατοποιείται σε εργαστηριακές συνθήκες, οπότε συνήθως
χρησιµοποιούµε ως αναφορά τα έτοιµα διαγράµµατα ακτινοβολίας από τους
κατασκευαστές των κεραιών. Σε γενικές γραµµές ο προσδιορισµός του
διαγράµµατος ακτινοβολίας γίνεται µε δύο τρόπους. Είτε γυρνώντας την
κεραία γύρω από το άξονα της και έχοντας ένα σταθερό σηµείο µέτρησης
του σήµατος, είτε έχοντας σταθερή την κεραία και µετρώντας διάφορα
σηµεία συγκριτικά µε το σηµείο που έχει η κεραία την µέγιστη απολαβή. Σε
περιπτώσεις ιδιοκατασκευών µπορούµε κατά προσέγγιση (πχ αγνοώντας τις
διαθλάσεις από άλλα σηµεία) να πάρουµε αποτελέσµατα για την
συµπεριφορά των κεραιών, συγκρίνοντας τις κατασκευές µας µε τις
εργοστασιακές κεραίες ώστε να έχουµε µια πρώτη ένδειξη για το
διάγραµµα ακτινοβολίας τους.
Κατευθυντικότητα [q3]
Ίσως το πρώτο πράγµα που βλέπουµε σε ένα διάγραµµα ακτινοβολίας
είναι η κατευθυντικότητα της κεραίας. Πρόκειται για εστίαση της εκποµπής
προς συγκεκριµένες κατευθύνσεις περισσότερο από κάποιες άλλες και όχι
ενίσχυση της ισχύς του συνολικού σήµατος από το ράδιο (όπως θα έκανε
πχ ένας rf ενισχυτής τον οποίο είναι καλό να αποφεύγουµε). Στις
κατευθυντικές κεραίες (directional) το χαρακτηριστικό διάγραµµα
ακτινοβολίας τους είναι έντονα ενισχυµένο προς µια κατεύθυνση και
υποβαθµισµένο ή ανύπαρκτο προς άλλες κατευθύνσεις. Αντίθετα οι
παγκατευθυντικές κεραίες (omnidirectional) εκπέµπουν προς όλες τις
κατευθύνσεις στο οριζόντιο διάγραµµα ακτινοβολίας και σε ένα µεγάλο
εύρος δέσµης στο κάθετο και περιορίζονται για συνδέσεις µικρών σχετικά
αποστάσεων. Το διάγραµµα ακτινοβολίας µιας omni όσο µεγαλώνει η
κατευθυντικότητα της από σφαιρoειδές γίνεται πιο επίπεδο θυµίζοντας
περισσότερο δίσκο [εικ. 10].
Εικ. 10: Όσο πιο πολλά dBi είναι µια omni τόσο πιο επίπεδο γίνεται το διάγραµµα
ακτινοβολίας της στον χώρο.
Όσο πιο κατευθυντική είναι η κεραία τόσο πιο µακριά µπορεί να εκπέµψει
στην ίδια στάθµη ισχύος από το ράδιο. Το πόσο κατευθυντική είναι µια
κεραία φαίνεται στα χαρακτηριστικά της µε δύο τρόπους. Ο πρώτος είναι η
ένδειξη της απολαβής της κεραίας (gain), που συνήθως µετριέται βάση
µιας γνωστής τιµής είτε σε λογαριθµικές µονάδες dBi (deciBel over isotrop)
είτε σε dBd (deciBel over dipole). Τα dBi της κεραίας καθορίζονται από το
gain που έχει, συγκριτικά µε µια ιδανική κεραία η οποία έχει µηδενικό gain
και λέγεται isotropic dipole antenna (δεν υπάρχει, δεν µπορεί να
κατασκευαστεί, αλλά είναι χρήσιµη εργαστηριακά ως σηµείο αναφοράς
στους υπολογισµούς µας). Τα dBd καθορίζονται και αυτά όπως τα dBi αλλά
ως σηµείο αναφοράς αντί για την ισοτροπική κεραία χρησιµοποιείται το
δίπολο του Hertz. Η προσεχτική παρατήρηση στο πως αναγράφεται η
απολαβή είναι σηµαντική αφού 2dB λιγότερο είναι περίπου 65%
χαµηλότερη ισχύ προς το σηµείο µε την µέγιστη κατευθυντικότητα. Η
µετατροπή ωστόσο των dBd σε dBi είναι εύκολη και δεν έχουµε παρά να
αφαιρέσουµε 1.76 µονάδες από τα dBd. Για παράδειγµα η
κατευθυντικότητα µιας κεραίας η οποία έχει gain 30 dBd είναι ίδια µε µια
κεραία που έχει κατευθυντικότητα 28.24 dBi. Εκτός αν έχει ειπωθεί
διαφορετικά το gain µιας κεραίας µετριέται στον κύριο λοβό (mainlobe ή
mainbeam) του διαγράµµατος ακτινοβολίας της. Κύριος λοβός όπως
φαίνεται και στην [εικ. 11] είναι το διακριτό τµήµα στο διάγραµµα
ακτινοβολίας, που ορίζεται από το µέγιστο gain της κεραίας και δύο
σηµαντικά ελάχιστα δεξιά και αριστερά. Ο δεύτερος τρόπος υπολογισµού
της κατευθυντικότητας µια κεραίας είναι το έυρος δέσµης (θ=
beamwidth) στον οριζόντιο και στον κάθετο άξονα του κύριου λοβού της
κεραίας, που ορίζεται από τα σηµεία τοµής στον κύριο λοβό στη µισή τιµή
ισχύος (-3dB) [εικ. 11]. Το εύρος δέσµης µετράται σε µοίρες ανάµεσα σε
δύο σηµεία, γνωστά ως σηµεία µισής ισχύος, στις δύο πλευρές από το
σηµείο µέγιστης έντασης σήµατος. Όσο µικρότερο είναι το εύρος δέσµης
τόσο πιο κατευθυντική είναι η κεραία και το αντίθετο. Το εύρος δέσµης
είναι συγκριτικά µικρότερο όσο υψηλότερη είναι η κεντρική συχνότητα.
Στο παράρτηµα που συνοδεύει τον τρέχοντα οδηγό µπορείτε να δείτε τα
διαγράµµατα ακτινοβολίας και την κατευθυντικότητα κάποιων
χαρακτηριστικών τύπων κεραιών.
Εικ. 11: Σχηµατική αναπαράσταση διαγράµµατος ακτινοβολίας µιας κατευθυντικής κεραίας
και του κεντρικού λοβού της.
Side και back Lobs, Front to Back Ratio [q4]
Σε σύνθετες κατασκευές κατευθυντικών κεραιών είναι σύνηθες να
δηµιουργούνται συµπληρωµατικοί λοβοί σε άλλες µη ωφέλιµες
κατευθύνσεις πέρα από την κεντρική δηµιουργώντας τον οπίσθιο και
τους πλαϊνούς λοβούς. Τις περισσότερες φορές αυτό είναι ένα
ανεπιθύµητο χαρακτηριστικό και πολλές τεχνικές έχουν αναπτυχθεί µε τα
χρόνια έτσι ώστε να µειωθούν ή ακόµα και να εξαλειφθούν οι επιπλέον
λοβοί. Για τον υπολογισµό του οπίσθιου λοβού χρησιµοποιείται ο λόγος
"front-to-back" (F/B ratio). Υπολογίζεται από το πρότυπο ακτινοβολίας ως
η διαφορά σε dB µεταξύ της µέγιστης απολαβής (µπροστά στην κεραία,
συνήθως στις 0º µοίρες) και στην απολαβή στο σηµείο που βρίσκεται
ακριβώς πίσω στις 180º µοίρες. Το πρόβληµα µε το να λαµβάνουµε υπόψη
µόνο το F/B ratio, είναι ότι δεν λαµβάνουµε υπόψη τους παράπλευρους
λοβούς. Άλλη µια σηµαντική παράµετρος εποµένως είναι τα επίπεδα των
πλαϊνών και οπίσθιων λοβών (αν υπάρχουν). Σε µια καλοσχεδιασµένη
κεραία θα πρέπει να είναι τυπικά 10-15 dB κάτω από τον κεντρικό λοβό.
Αυτή η παράµετρος παρότι είναι σηµαντική, σπάνια αναφέρεται στα
χαρακτηριστικά των κεραιών. Πάραυτα, ένα καλό λογαριθµικό διάγραµµα
ακτινοβολίας µπορεί να µας εµφανίσει αυτούς τους λοβούς και την
κατεύθυνση που παρουσιάζουν το µέγιστο τους.
Πόλωση [q5]
Ο τρόπος που γίνεται η µετάδοση των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων στο
χώρο από τις κεραίες, χαρακτηρίζει την πόλωση τους. Το είδος της
πόλωσης καθορίζεται από το επίπεδο (E-Plane) που κινείται η ηλεκτρική
συνιστώσα του ηλεκτροµαγνητικού σήµατος (υπάρχει και µαγνητική
συνιστώσα η οποία όµως δεν καθορίζει την πόλωση [εικ. 12]).
Εικ. 12: Αναπαράσταση του Ηλεκτρικού και Μαγνητικού πεδίου
Αν το επίπεδο Ε-Plane σχηµατίζεται κάθετα µε τον ορίζοντα θεωρούµε ότι
έχουµε κάθετη γραµµική πόλωση, ενώ αν σχηµατίζεται οριζόντια τότε
έχουµε οριζόντια γραµµική πόλωση. Σπανιότερα και για ειδικές
περιπτώσεις, κάποιες κεραίες µεταδίδουν το σήµα µε τέτοιο τρόπο ώστε η
πόλωση να αλλάζει κατεύθυνση περιοδικά στο πέρασµα του χρόνου (είτε
δεξιόστροφα, είτε αριστερόστροφα) οπότε λέµε ότι έχουµε ελλειπτική
πόλωση η οποία µπορεί µερικές φορές να είναι και κυκλική [εικ. 13].
Εικ. 13: α) Γραµµική, β) Κυκλική, και γ) Ελλειπτική Πόλωση
Η σωστή επιλογή πόλωσης είναι σηµαντικός παράγοντας για αποδοτικότερη
διασύνδεση δύο σηµείων (υποβάθµιση του σήµατος από ανακλάσεις,
διαθλάσεις, Η/Μ παρεµβολές). Για να επιτύχουµε την µέγιστη ισχύ µεταξύ
δύο κεραιών που θα συνδεθούν πρέπει απαραίτητα να είναι ρυθµισµένες µε
την ίδια ακριβώς πόλωση. Αν είναι γραµµική πόλωση είναι κάθετη ή
οριζόντια, αν είναι κυκλική είναι δεξιόστροφη ή αριστερόστροφη… και ούτω
καθεξής. Στο παρακάτω πινακάκι φαίνεται η επίδραση δύο κεραιών
ανάλογα µε την πόλωση τους. Παρατηρήστε ότι στις περιπτώσεις 1,4,6 δεν
υπάρχει καµία υποβάθµιση του σήµατος επειδή οι πολώσεις και στις δύο
άκρες είναι ταυτόσηµες.
1η Κεραία 2η Κεραία Υποβάθµιση
1 Γραµµική Οριζόντια ή Κάθετη Γραµµική µε διαφορά κατά 0° -0dB
2 Γραµµική Οριζόντια ή Κάθετη Γραµµική µε διαφορά κατά 45° -3dB
3 Γραµµική Οριζόντια ή Κάθετη Γραµµική µε διαφορά κατά 90° -20dB
4 Κυκλική Δεξ/φη ή Αριστ/φη Κυκλική µε ίδια φορά -0dB
5 Κυκλική Δεξ/φη ή Αριστ/φη Κυκλική µε αντίθετη φορά -20dB
6 Γραµµική ή Κυκλική Ιδιος τύπος πόλωσης -0dB
7 Γραµµική πόλωση Κυκλική πόλωση -3db
8 Κυκλική πόλωση Γραµµική πόλωση -3dB
Αντίθετα την µέγιστη υποβάθµιση του σήµατος την έχουµε στις
περιπτώσεις 3 και 5 όπου στη µία χρησιµοποιείται διαφορετική γραµµική
πόλωση (πχ κάθετη µε οριζόντια) και στην άλλη υπάρχει κυκλική πόλωση
και στα δύο άκρα αλλά µε διαφορετική φορά (δεξιόστροφή µε
αριστερόστροφη κυκλική πόλωση).
Σηµειώστε ότι πολλές φορές επιθυµούµε να βάλουµε πόλωση στα δύο άκρα
των κεραιών µας η οποία θα υποβαθµίζει στο µέγιστο το σήµα που
προέρχεται από µια ξένη τρίτη πηγή που µας δηµιουργεί θόρυβο.
Επειδή δε η αλλαγή πόλωσης σε κάποια είδη κατευθυντικών κεραιών είναι
εύκολη (ανάλογα µε τον τρόπο που θα τοποθετήσουµε τις κεραίες),
µπορούµε αφότου έχουµε εγκαταστήσει τις κεραίες µας να επιλέξουµε την
πόλωση που θα έχουµε καλύτερη ζεύξη. Η κυκλική πόλωση είναι συνήθως
πιο δυσεύρετη (helix antennas, cross yagi) και πιο ακριβή από την
γραµµική. Τις περισσότερες φορές εποµένως επιλέγουµε είτε γραµµική
κάθετη, είτε γραµµική οριζόντια πόλωση (πολλές κεραίες έχουν µια ένδειξη
“V” ή “H” αντίστοιχα για το κάθετη ή οριζόντια πόλωση), ανάλογα µε το
ποια θα µας δώσει τα καλύτερα αποτελέσµατα. Οι παγκατευθυντικές
κεραίες έχουν τις περισσότερες φορές κάθετη πόλωση. Η επιλογή της
πόλωσης επηρεάζει και την µέγιστη απόσταση ζεύξης που µπορεί να
επιτευχθεί. Συνήθως η οριζόντια γραµµική επιτρέπει µεγαλύτερες
αποστάσεις σε σχεδόν επίπεδες εκτάσεις ή σε µητροπολιτικές περιοχές µε
επίπεδες ταράτσες. Τέλος νεώτερες υλοποιήσεις κεραιών επιτρέπουν
πολλαπλή πόλωση κάτι που επιτρέπει ακόµα µεγαλύτερη αντοχή από
παρεµβολές, και µεγαλύτερη διαπερατότητα ορισµένων υλικών σε
περιπτώσεις που δεν υπάρχει καθαρή οπτική επαφή. Το κόστος τους
όµως είναι αρκετά µεγάλο.
Σύνθετη Αντίσταση (impedance) [q6]
Κάθε στοιχείο που µεταφέρει ηλεκτροµαγνητικά σήµατα (πχ ένα RF
καλώδιο ή µια κεραία) έχει µία χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση
(impedance) κατά την διαδροµή του σήµατος που µετριέται σε ohms.
Όταν συνθέτουµε, το ένα µαζί µε το άλλο, δύο διαφορετικά στοιχεία είναι
σηµαντικό να ταιριάζει η σύνθετη αντίσταση τους, το οποίο µπορεί να
επιτευχθεί κατά ένα µεγάλο βαθµό µε ειδικούς συνδετήρες χαµηλής
απώλειας. Αν δεν ταιριάξει τότε έχει ως αποτέλεσµα την απώλεια σήµατος
καθώς επίσης ανακλάσεις. Το VSWR (voltage-standing-wave-ratio) είναι
ένας συντελεστής που εµφανίζει τον βαθµό που “ταιριάζει” µια κεραία στην
σύνθετη αντίσταση. Οι τιµές του VSWR εµφανίζονται σαν αναλογία µε τη
µονάδα πάντα ως παρανοµαστή (πχ 2:1, 3:1, 10: 1). Οι περισσότερες
κεραίες είναι σχεδιασµένες έτσι ώστε να έχουν την µέγιστη απόδοση όταν
λειτουργούν σε tranmission line αντίστασης 50 Ohm. Αν η τιµή του VSWR
είναι αρκετά υψηλή τότε η ισχύς του ποµπού (αντίστοιχα και του δέκτη) θα
είναι µειωµένη. Οι συνήθης τιµές για το VSWR που συναντάµε είναι 1.5:1
που σηµαίνει ότι η σύνθετη αντίσταση της κεραίας πρέπει να είναι κάπου
µεταξύ 37.5 και 75 Ohms. Οι τιµές VSWR που ξεπερνούν το 2.5:1
θεωρούνται συνήθως µη αποδεκτές γιατί αυξάνουν αρκετά τις απώλειες. Το
τέλειο ταίριασµα χωρίς απώλειες είναι 1:1 αλλά δεν είναι εφικτό. Για
καλύτερη ακρίβεια για τιµές δηλαδή κάτω του 1.5:1 το κόστος της κεραίας
ανεβαίνει αρκετά χωρίς όµως να υπάρχει ανάλογη σηµαντική διαφορά στις
επιδόσεις. Η µέτρηση του VSWR είναι εύκολο να γίνει µε την χρήση
κάποιου VSWR µετρητή [εικ. 14]. Πολλές φορές το VSWR συµβολίζεται µε το µικρό ελληνικό γράµµα σίγµα ‘σ ’.
Εικ. 14: Μετρητής VSWR
Μέγιστη Ισχύ
Οι εργοστασιακές κεραίες είναι δοκιµασµένες µέχρι µια συγκεκριµένη
µέγιστη ισχύ η οποία είναι συνήθως 50 µε 100 Watt. Οι τιµές αυτές είναι
αρκετά µεγάλες για να αποτελέσουν κριτήριο επιλογής µιας κεραίας από
την άποψη ότι τα όρια εκποµπής για εξωτερικές κεραίες WiFi είναι πάρα
πολύ χαµηλά. Η αναγραφή του µέγιστου ορίου είναι υποχρεωτικός για
κάθε κατασκευαστή και για χρήση πέρα του ορίου δεν εγγυούνται την
σωστή λειτουργία της κεραίας.
Απόδοση (Efficiency)
Η απόδοση κεραίας καθορίζει το ποσοστό του σήµατος που συλλαµβάνεται
από το σύστηµα κεραίας. Οι τυπικές ποσοστιαίες αποδόσεις κυµαίνονται
από 40 (χαµηλή) έως 70 (υψηλή) τοις εκατό. Ο παράγοντας αυτός
προσδιορίζει το ποσοστό της ανακλώµενης ισχύος που συγκεντρώνεται στο
σηµείο εστίασης.
Μηχανικά Χαρακτηριστικά Κεραιών
Πέρα από τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της κεραίας που αφορούν το πως
εκπέµπει και το πως λαµβάνει τα ηλεκτροµαγνητικά σήµατα, θα πρέπει να
δώσουµε ιδιαίτερη σηµασία στην ποιότητα κατασκευής της. Η κεραία θα
πρέπει να είναι σχεδιασµένη ώστε να αντέχει ακραίες καιρικές συνθήκες και
να µας διευκολύνει στην τοποθέτηση – στόχευση.
Φυσικό Μέγεθος [q8]
Το µέγεθος µετράει και αυτό ισχύει κατά ένα µεγάλο βαθµό και στις
κεραίες. Συνήθως, όσο πιο µικρή είναι η κεραία τόσο πιο εύκολη είναι η
τοποθέτηση της, έχει µεγαλύτερες αντοχές στον αέρα, και είναι
περισσότερο διακριτική. Από την άλλη, το µέγεθος της κεραίας έχει άµεση
επίδραση στην απόδοση της. Ιδιαίτερα όταν µας ενδιαφέρει η
κατευθυντικότητα της κεραίας θα πρέπει να επιλέξουµε µια κεραία που µας
επιτρέπει υψηλό gain, όπως κεραίες µε παραβολικό κάτοπτρο µε διάµετρο
πάνω από 80 εκατοστά (υπάρχουν και µικρότερα κάτοπτρα από 35cm αλλά
δεν συστήνονται επειδή δεν προσδίδουν µεγάλη κατευθυντικότητα και
έχουν δυνατούς πλαϊνούς λοβούς). Το µέγεθος σχετίζεται µε την κεντρική
συχνότητα αναφοράς. Όσο πιο µεγάλη είναι η κεντρική συχνότητα τόσο
πιο µικρά είναι τα ενεργά στοιχεία της κεραίας αφού µικραίνει το µήκος
κύµατος που καθορίζει σχεδιαστικά την απόδοση τους. Τέλος το µέγεθος
της κεραίας είναι σηµαντικό κριτήριο επιλογής αν υπάρχουν περιορισµοί
στην τοποθέτηση της κεραίας. Στους 2,4GHz µια συνηθισµένη panel κεραία
19dBi έχει περίπου 40 τετραγωνικά εκατοστά επιφάνεια (στους 5GHz η
αντίστοιχη κεραία είναι γύρω στα 10 τετρ. εκατοστά µικρότερη), µε
λιγότερο από 2,5 εκατοστά πάχος. Αντίστοιχα µια yagi 19dBi θα έχει
µάκρος λίγο παραπάνω από µισό µέτρο, αλλά καταλαµβάνει στην επιφάνεια
της βάσης µόνο γύρω στα 15 τετρ. εκατοστά. Αντίθετα µια συνηθισµένη
παραβολική κεραία πλέγµατος 24dBi θα είναι γύρω στα 60 εκατοστά
πλάτος, 100 εκατοστά ύψος και 40 εκατοστά πάχος.
Ποιότητα Κατασκευής [q9]
Όσο πιο ελαφριά είναι η κεραία τόσο πιο εύκολη είναι η τοποθέτηση της
χωρίς να επιβαρύνεται επιπλέον η στήριξη της καθώς επίσης µειώνεται το
κόστος µεταφοράς της για τους κατασκευαστές. Έτσι καλό είναι να
προτιµούνται ανθεκτικά ελαφριά υλικά όπως το αλουµίνιο. Στις
κατευθυντικές παραβολικές κεραίες πολλές φορές επιλέγονται κάτοπτρα
πλέγµατος αντί για τα συµπαγή εξοικονοµώντας ακόµα περισσότερο βάρος
και αυξάνοντας την ανθεκτικότητα της κατασκευής αφού οι κεραίες µε
αυτόν τον τρόπο γίνονται αεροδιαπερατές. Η καλή ποιότητα κατασκευής
βελτιώνει επίσης την αντοχή από τις µακροχρόνιες φθορές αυξάνοντας µε
αυτόν τον τρόπο το χρόνο ζωής της κεραίας.
Στήριξη [q7]
Η ποιότητα κατασκευής µιας κεραίας κρίνεται κατά ένα µεγάλο ποσοστό
από την βάση στήριξή της η οποία θα πρέπει να είναι αρκετά γερή ώστε να
κρατάει την κεραία σταθερή ακόµα και σε ακραίες καιρικές συνθήκες.
Επιπλέον θα πρέπει να είναι εύκολη στην τοποθέτηση της πάνω στον ιστό
(ή σε τοίχο) και να διευκολύνει την ρύθµιση της οριζόντιας και κάθετης
κλήσης της κεραίας. Πολλές φορές χρησιµοποιούνται για κάτοπτρο offset
“δορυφορικά” πιάτα και θα πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στο downtilt
της βάσης τους, αφού πολλά από αυτά δεν έχουν κατασκευαστεί για
επίγειες συνδέσεις άρα δεν επιτρέπουν µεγάλο downtilt. Σε πιο
εξειδικευµένες κατασκευές υπάρχει η δυνατότητα αλλαγής της γραµµικής
πολικότητας µιας κεραίας, απλά στηρίζοντας την στην κατάλληλη θέση.
Στόχευση
Όσο πιο στενή είναι η δέσµη εκποµπής (µεγάλη κατευθυντικότητα) τόσο
πιο δύσκολή είναι η σωστή στόχευση µιας κεραίας. Ειδικά σε περιπτώσεις
στόχευσης σηµείου µε σηµείο σε µεγάλες αποστάσεις έστω και η πιο µικρή
απόκλιση µπορεί να υποβαθµίσει αρκετά την στάθµη του σήµατος. Αξίζει
εποµένως να αφιερώσετε αρκετό χρόνο ώστε να επιτύχετε την βέλτιστη
στόχευση. Καλό είναι να υπάρχουν τουλάχιστον δύο άτοµα κατά την
διαδικασία της στόχευσης όπου ο ένας θα βλέπει την στάθµη του σήµατος
και ο άλλος θα κάνει τις απαραίτητες διορθώσεις στην στόχευση της
κεραίας στον οριζόντιο και κάθετο άξονα. Μερικές κεραίες επιτρέπουν πιο
εύκολη στόχευση από άλλες. Πχ είναι πολύ πιο εύκολη η στόχευση στις
prime focus παραβολικές από ότι στις offset. Προσοχή πρέπει να δοθεί
ώστε να ταιριάζει απόλυτα η πολικότητα στα δύο άκρα της ζεύξης.
Ασφάλεια
Όρια Εκποµπής Τα νόµιµα όρια συνολικής εκποµπής EIRP στην Ευρωπαϊκή Ένωση είναι τα 20dB ή 100mW είτε έχουµε κατευθυντική σύνδεση είτε πολυκατευθυντική. Στην περίπτωση που το EIRP είναι µεγαλύτερο τότε δεν υπάρχει συµµόρφωση µε την Ευρωπαϊκή Οδηγία 1999/5/EC ή την σύσταση CEPT Rec 70.03 η και τα δύο. Σε κάποιες ευρωπαϊκές χώρες απαιτείται έγκριση για χρήση σε εξωτερικές συνδέσεις (Ιταλία, Λιθουανία) απαιτούν έγκριση από τις εθνικές ρυθµιστικές αρχές για χρήση σε εξωτερικές συνδέσεις ή περιορίζεται η χρήση σε πιο µικρό φάσµα συχνοτήτων (Γαλλία). Το EIRP υπολογίζεται από το άθροισµα: EIRP = Απολαβή Κεραίας (gain) + Ισχύ Ραδιοσυσκευής – Απώλειες Καλωδίων Ο γενικός κανόνας για όσο το δυνατών πιο ποιοτικές συνδέσεις είναι να χρησιµοποιούµε την ελάχιστη ισχύ από την ραδιοσυσκευή, τις ελάχιστες απώλειες από την καλωδίωση και την µέγιστη δυνατή απολαβή της κεραίας. Συµφέρει δηλαδή να χρησιµοποιήσουµε µικρό µήκος RF καλωδίου χαµηλών απωλειών ή να ρίξουµε την ισχύ της ασύρµατης κάρτας στο µέγιστό, έτσι ώστε να βάλουµε µια µεγαλύτερη κατευθυντική κεραία. Σε περιπτώσεις πολυκατευθυντικών συνδέσεων όπου το gain των κεραιών είναι εξ’ ορισµού χαµηλό καλό είναι να κρατήσουµε την συνολική εκποµπή στο χαµηλότερο δυνατό σηµείο ώστε να έχουµε σταθερές απροβληµάτιστες ζεύξεις. Επίσης οι κεραίες που εισέρχονται στην Ευρωπαϊκή Αγορά (από 01-Ιανουαρίου 1996) θα πρέπει να έχουν πιστοποιηθεί στην ηλεκτροµαγνητική τους συµπεριφορά µε CE certification σύµφωνα µε την οδηγία 89/336/CE.
Η πιο πρόσφατη ευρωπαϊκή οδηγία (από 01-Ιουλίου 2006) που αφορά τις κεραίες είναι η Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS) 2002/95/EC η οποία συστήνει την απαγόρευση χρήσης 6 υλικών (µόλυβδο, υδράργυρο, κάδµιο, χρώµιο Cr6+, PBB και PBDE) σε ηλεκτρικό και ηλεκτρολογικό εξοπλισμό. Σηµειώστε ότι πρόκειται για οδηγία και όχι για οριστική νοµοθεσία και προβλέπεται να υπάρχουν διαφοροποιήσεις στην εφαρµογή της από κράτος σε κράτος.
Αντικεραυνική Προστασία
Το κεραία µας είναι εκτεθειµένη σε στατικά φορτία και επαγωγικά ρεύµατα
από κεραυνούς που πέφτουν κοντά. Για προστασία από απευθείας χτύπηµα κεραυνού χρειάζεται αλεξικέραυνο και µία καλή γείωση. Καλύτερα ανεξάρτητη από την γείωση του ρεύµατος. Ιδανική είναι η θεµελιακή γείωση που γίνεται κατά την κατασκευή ενός κτιρίου η οποία σύµφωνα µε τους νέους κανονισµούς είναι υποχρεωτική. Το αλεξικέραυνο είναι το Εξωτερικό Σύστηµα Αντικεραυνικής Προστασίας. Σκοπός του είναι να αποτρέψει τα ρεύµατα του κεραυνού να περάσουν µέσα από το σπίτι. Τα ισχυρά ρεύµατα του κεραυνού δηµιουργούν επίσης ισχυρά ηλεκτροµαγνητικά πεδία. Τα ηλεκτροµαγνητικά αυτά πεδία σε αποστάσεις κάτω των 200µ. επάγουν ρεύµατα σε αγωγούς και µε την σειρά τους µπορούν να κάψουν ηλεκτρονικές συσκευές. Για αυτό το λόγο πρέπει όλα τα συστήµατα να γειώνονται καλά και να τοποθετούµε αντικεραυνικά στις κεραίες (lighting arrestors). Πολλές φορές µε γείωση κάθε κεραίας στον ιστό ο οποίος είναι γειωµένος µε την σειρά του στην γείωση του κτηρίου. Το σύστηµα µε τις γειώσεις και τα αντικεραυνικά είναι το Εσωτερικό Σύστηµα Αντικεραυνικής Προστασίας [εικ. 15].
Εικ. 15: Αριστερά γείωση και συνδεσµολογία εξοπλισµού κεραιοσυστήµατος σύµφωνα µε το
ΕΝ-50083-11 (υπό ανάπτυξη). Δεξιά αντικεραυνικό αερίου (gass lighting arrestor).
Οι συσκευές έχουν προστασία εφ' όσον υπάρχουν τα προαναφερόµενα
συστήµατα, και αυτά είναι σωστά σχεδιασµένα και κατασκευασµένα.
Η αντικεραυνική γείωση δεν πρέπει να γίνεται σε οπλισµό κολόνας. Η τάση
από την εκκένωση όταν βρει µεγαλύτερη αντίσταση (πχ. σκουριά στον
οπλισµό) δηµιουργεί τεράστιο ποσό θερµότητας µε αποτέλεσµα ακόµα και
έκρηξη του σκυροδέµατος. Αν συνδέσουµε την ηλεκτρική γείωση του
σπιτιού µε τον ιστό τότε αν πέσει κεραυνός το πιθανότερο θα είναι να
καταστραφεί όλη η ηλεκτρική εγκατάσταση του σπιτιού µαζί µε όλες τις
συνδεδεµένες συσκευές. Η σωστή αντικεραυνική προστασία κοστίζει πάρα
πολλά χρήµατα και δεν είναι πάντα εφικτό να γίνει σε πολυκατοικίες που
έχουν ήδη χτιστεί και δεν διαθέτουν τους κατάλληλους χώρους -
διαρρύθµιση.
Σχεδίαση & Ασφάλεια Συνδέσεων
Οι ασύρµατες συνδέσεις υπολείπονται των ενσύρµατων στο θέµα της
ασφάλειας σε φυσικό επίπεδο. Αυτό συµβαίνει επειδή χρησιµοποιείται
διαφορετικό µέσο µετάδοσης που επιτρέπει σε όποιον βρίσκεται στην
περιοχή κάλυψης µπορεί να υποκλέψει το σήµα και να διαβάσει τα
δεδοµένα. Ακόµα και αν τα τελευταία είναι κωδικοποιηµένα υπάρχουν
τρόποι αποκωδικοποίησης του. Βέβαια οι µέθοδοι κωδικοποίησης έχουν
βελτιωθεί αρκετά (σε σηµείο να θεωρούµε πχ τις ασύρµατες τηλεφωνικές
µας κλήσεις ασφαλής) αλλά η κωδικοποίηση δεν είναι πάντα εφικτή και
είναι εις βάρος της απόδοσης της ζεύξης. Ένας τρόπος για να
προστατευτούµε είναι ο σωστός σχεδιασµός και η αυξηµένη
κατευθυντικότητα των κεραιών µας έτσι ώστε να περιορίσουµε τις περιοχές
κάλυψης. Για παράδειγµα µπορούµε να κάνουµε σύνδεση κτήριο µε κτήριο
χωρίς να υπάρχει κάλυψη από τον δρόµο µειώνοντας µε αυτόν τον τρόπο
την πιθανότητα κάποιου να ανιχνεύσει και να προσπαθήσει να “χακεύσει”
το δίκτυο.
Επίλογος
Η σηµασία της κεραίας για µια απροβληµάτιστη ζεύξη είναι σηµαντικότατη.
Κάθε εφαρµογή είναι διαφορετική και θέλει ξεχωριστή αντιµετώπιση και
αξιολόγηση για την καλύτερη επιλογή µας. Θα πρέπει να συνυπολογίσουµε
όλα τα κριτήρια δίνοντας ιδιαίτερη σηµασία στην ασφάλεια, στα µηχανικά
και στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά της κεραίας. Πρώτα εποµένως
καταγράφουµε τις ανάγκες µας και επιλέγουµε τις κεραίες που µας
καλύπτουν. Σηµειώστε ότι όσον αφορά τις ζεύξεις θα πρέπει πάντα να
έχουµε στο νου και το άλλο άκρο της ζεύξης καθώς επίσης θα πρέπει να
γνωρίζουµε τις συνθήκες που επικρατούν. Για παράδειγµα, ακραία καιρικά
φαινόµενα, όπως ο εξαιρετικά δυνατός αέρας, µπορούν να µας
υπαγορεύσουν τον τύπο της κεραίας που θα χρησιµοποιήσουµε ή τον
τρόπο στήριξης της.
Further Reading και Βιβλιογραφία… IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas, IEEE Std 145-1983. Dr. Steven R. Best, Antenna Performance and Design Considerations for Optimum Coverage in Wireless Communication Systems Ζιµουρτόπουλος Π. Ε., “Κεραίες Ι/II : Ανάλυση”, Κεραίες-ΔΠΘ, Ξάνθη, 1999-2002, www.antennas.duth.gr. Ζιµουρτόπουλος Π. Ε., “Κεραίες IΙ/II : Σύνθεση, Σχεδιασµός”, Κεραίες-ΔΠΘ, Ξάνθη, 2001-2002, [email protected]. Joseph H. Reisert, Antenna Selection and Specification Made Easy http://www.astronwireless.com/antsel.html Joseph H. Reisert, Understanding and Using Antenna Radiation Patterns http://www.astronwireless.com/radiation_patterns.html Joseph H. Reisert, Antenna Polarization Application Note http://www.astronwireless.com/polarization.html Interpreting Antenna Performance Parameters for EMC Applications http://www.djmelectronics.com/articles/emc-antenna-parameters-p1.html www.wikipedia.org (antenna:radio) www.wikipedia.org (Restriction of Hazardous Substances Directive) http://www.microwaves101.com/encyclopedia/ (microwave encyclopedia) Cellular antennas & The mysteries of the Gain? (By David Benchoam) http://www.benelec.com.au/technical/cellular_antennas.htm
