Antény pro WiFi

Obecné poznámky

Úvodem - vlnění

Antény slouží k vysílání a příjmu elektromagnetického vlnění = k obousměrnému převodu mezi vlnami šířícími se volně prostorem (nesou energii) a elektrickým proudem+napětím v kovových strukturách a vysokofrekvenčních vedeních.

Záření v pásmu WiFi se chová podobně, jako světlo - ale má mnohem delší vlnovou délku, takže můžeme v našich lidských měřítkách stavět jednotlivé laděné prvky, pozorovat efekty fázování, skládání vln apod.

Základní zářiče, antény a soustavy

Základním anténním zářičem je λ/4 ("čtvrtvlnný") prut napájený asymetricky na konci, případně půlvlnný dipól napájený symetricky uprostřed.

Základní typy anténních zářičů

Pro optimální vazbu/přenos vysokofrekvenční energie (vlnění) mezi elektrickým proudem ve vodičích a elektromagnetickým polem v okolním prostoru je vhodné, aby zářič byl tzv. "laděný" - tzn. aby při známé "rychlosti světla" vznikala na žádané frekvenci na zářiči rezonující stojatá vlna. Rezonance zajistí, že se energie bude v zářiči akumulovat. Při vysílání bude dodávaná elektrická energie odpovídat výkonu vyzářenému do prostoru, ve směru příjmu to funguje obdobně.
V celém tomto povídání převážně pomineme, že pro optimální navázání "napájecího vedení" je třeba se snažit ještě také o dokonalé přizpůsobení VF impedance mezi napájecím vedením a anténní strukturou. Pokud Vás toto zajímá, pokračujte četbou pokročilejší literatury, případně si zkuste hrát se simulačním softwarem 4nec2 apod.

Elektrické a magnetické pole v těsném okolí λ/2 dipólu v rezonanci (napájen uprostřed) (Klikněte na obrázek, pokud Vás zajímá celý screenshot 4nec2)

Vedle napájeného zářiče se používají další "pasivní" prvky.
Především reflektory různých druhů, od přesně tvarovaného parabolického talíře, přes síta a mříže, po tyč nebo drát o vhodné délce, vzdálenosti a shodné polarizaci s aktivním zářičem.
U antén typu Yagi (a dalších) se používají také pomocné pasivní zářiče, tzv. direktory - jsou laděné na užitečnou frekvenci a pomáhají směrovat vlnění / zvětšovat efektivní plochu antény / zvyšovat selektivitu a zisk. Vhodnou kombinací direktorů o mírně rozprostřených parametrech lze dosáhnout účinnosti antény v širším pásmu (na úkor špičkového zisku, oproti přesně laděné kanálové anténě).
V mikrovlnných pásmech se používají vlnovody = vlnění se vede volným prostorem v trubce, protože je to v těchto pásmech méně ztrátové, než vedení vodičem v koaxiálním kabelu. Případně je krátký vlnovod součástí jednotky zářiče v parabolické anténě...
Důležitou součástkou pro přizpůsobení impedance, odlaďování, kompenzaci charakteristiky apod. jsou rezonanční úseky kabelového vedení o přesné délce (obvykle λ/4 nebo λ/2) nebo i diskrétní kapacity a indukčnosti (v mikrovlnných pásmech málokdy). V plošných anténách pro mikrovlnné pásmo (leptaných na plošném spoji) se naopak často používají mikropáskové struktury, opět ve smyslu laděných úseků VF vedení. Kromě toho štěrbina v plechu se chová jako drát ve volném prostoru, kruhová výseč plechu má lepší jakost než prostý λ/4 pahýl apod.

Ohavná terminologická vysvětlivka: řekněme, že pojem anténa znamená aktivní zářič doplněný o další prvky (reflektor, direktory, kompenzační prvky). Antény se často řadí do anténních soustav - uvažujme zde pro jednoduchost paralelní kombinace shodných základních antén. Cílem paralelního řazení shodných antén je dosažení vyššího zisku, směrovosti, efektivní plochy (= různá vyjádření téhož), případně vhodnou volbou rozestupu antén v soustavě potlačení rušivého příjmu z konkrétního nežádoucího směru.
V mikrovlnných pásmech se často používají antény, které jsou ve skutečnosti konstruovány jako soustava několika sfázovaných aktivních zářičů ve společném pouzdru - toto se týká všech plochých a "dlouhých" antén, kde jeden či více mechanických rozměrů nápadně přesahuje vlnovou délku jmenovitého frekvenčního pásma. Konec terminologické vysvětlivky - zmatení čtenáře bylo učiněno zadost :-)

Anténní soustavy - uspořádání vs. směrovost; polarizace

Směrovost anténní soustavy vyplývá ze skládání vln od jednotlivých zářičů.

rozteč = λ/2

rozteč = 1 λ

rozteč = 2 λ

Dílčí příspěvky od jednotlivých zářičů se "slijí" do jediné rovinné vlny až poměrně daleko od zářičů, kolmo k ose rovinné anténní soustavy. Ve směrech mimo kolmici není soufázové "slití" dokonalé, vlny se všelijak navzájem odečítají.
Výsledkem je prostorový vyzařovací diagram s jedním ostře směrovým a ziskovým hlavním lalokem a mnoha maličkými postranními laloky (a ostrými minimy mezi nimi). Příklady najdete níže, u jednotlivých antén.
Směrovost diagramu a "ježatost" postranních laloků záleží na počtu zářičů a na šířkových rozestupech mezi zářiči v sestavě, v poměru k délce vlny užitečného signálu.

Co je to "zisk" antény (číslo v dB)

Číslo zvané zisk znamená vlastně poměr výkonu dané antény (v konkrétním směru, např. v maximu vyzařovacího diagramu) oproti výkonu, který vykazuje základní dipól, nebo oproti výkonu tzv. izotropního zářiče (= ideálně všesměrového).

Zisk se udává v logaritmické jednotce zvané deciBel (dB). Dvojnásobnému výkonu odpovídá zisk cca +3 dB, 10x výkon = +10 dB, 100x výkon = +20 dB. Převodní vzorec si odvoďte nebo zjistěte :-b

Bajka o zisku a směrovosti

Vztah mezi směrovostí a ziskem antény

Mějme dvě antény - jednu všesměrovou, druhou do jisté míry směrovou.
Za jinak stejných okolností, tzn. předpokládejme shodný přivedený elektrický výkon a dokonalé impedanční přizpůsobení napáječi (SWR=1).
Rozdíl mezi oběma anténami je v tom, do jakého prostorového úhlu vysílají přivedenou energii. Všesměrová anténa šíří energii rovnoměrně okolo sebe všemi směry. Směrová anténa vrhá výkon do určité omezené výseče okolního prostoru. Proto u směrové antény naměříme podobný dopadající výkon (na plochu) ve větší vzdálenosti od antény. Háček je v tom, že tento vysoký výkon dopadá jenom v určitém "rozsahu azimutů a elevací". Mimo tento hlavní směr je v ideálním případě tma.

Jinak řečeno, čím ziskovější anténa, tím ostřeji bude směrová. Pokud zvýšíte pro potřeby příjmu efektivní plochu paralelní kombinací několika antén, zvedne se Vám "zisk", ale zároveň se také zostří směrovost.

Udávaný "zisk" antény (a směrovost) funguje oběma směry: pro příjem i pro vysílání.

Z výše uvedeného plyne, že nemá smysl hnát se za jediným číslem, kterým je udávaný zisk.
V reálném nasazení obvykle potřebujeme pokrýt signálem určitou plochu nebo prostor (prostorový úhel). Samozřejmě se budeme snažit, aby anténa byla i v dalších ohledech kvalitní či vyhovující.
Při výběru antény tedy postupujeme takto:

1. Především podle potřebného pokrytí plochy či prostoru (plus také vnitřní vs. venkovní použití) zvolíme provedení antény - panel, sektor, omni, směrová parabola apod.
2. Pak přicházejí na řadu další kritéria - cena, energetická účinnost a šetrnost vůči rádiu (poměr stojatých vln), průběh parametrů napříč uvažovaným pásmem frekvencí/kanálů (kolísání SWR a prostorové "šilhání"), odolnost použitých materiálů a dílenské zpracování
3. Pokud v prvním kole výběru zjistíte, že pro pokrytí uvažovaného prostoru nebude stačit jeden vysílač, tzn. že budete potřebovat síť vysílačů, rozdělte si prostor na menší úseky (nasvítitelné jednou anténou konkrétního typu) a pokračujte znovu v bodě 1) :-)

Odbočka ohledně vysílacího výkonu:
Patrně víte, že povolený vysílací výkon je 100 mW.
(Navíc všesměrovou anténou, ale do toho se radši zamotávat nebudeme.)
A asi taky víte, že některá WiFi rádia zvládají vyšší vysílací výkon, běžně 1W.
Tady je třeba říci: neslibujte si od zvýšeného výkonu zázraky. Jednak rádia na obou koncích budou mít podobné parametry (citlivost a šumový práh v RX směru), takže jednostranným zvýšením výkonu na AP získáte přinejlepším jednostranné zvýšení dosahu. Pozor, dopadající výkon klesá s druhou mocninou vzdálenosti (vlna má tvar rozpínající se kulové plochy), takže desetinásobný výkon znamená pouze cca trojnásobnou vzdálenost. V případě použití asymetrického vysílacího výkonu (AP/klient) budou klienti na okrajích ozářeného prostoru sice slyšet AP, ale AP nebude slyšet klienty. (Na rozdíl třeba od GSM/3G nemají základnová rádia WiFi o nic kvalitnější RX směr než rádia na klientech.) Komunikující stanice AP+klient se do jisté míry zvládne přizpůsobit slabšímu signálu snížením rychlosti, potažmo při asymetrickém výkonu bude rychleji klesat rychlost uplinku. Pokud je pásmo AP/klient vytíženo zhruba 50/50%, bude pomalejší uplink alokovat nepřiměřeně větší část "disponibilního vysílacího času" na sdíleném half-duplexním kanálu WiFi.

Sumárum kapitoly: neupínejte se na zvýšený vysílací výkon a nepátrejte po nadprůměrně ziskových anténách. Základní fyzika platí pro každého. Pokud potřebujete pokrýt velkou plochu nebo složitý/členitý prostor, zauvažujte o kombinaci několika AP. Případně lze jedno AP zařízení osadit několika rádii a více anténami, pokud dává smysl svítit z jednoho bodu několika anténami (například různými směry na různých kanálech).

Běžné typy antén pro wifi

V této kapitole najdete přibližný přehled trhu.

Kolik mm je λ na 2.4 a 5 GHz

Pokud budete zkoumat různé konstrukce WiFi antén, neškodí vědět, jaké vlastně vlnové délky odpovídají frekvencím v pásmech 2.4 a 5.4 GHz.
Tak tedy:

2.44 GHz : λ = 122 mm, λ/2 = 61 mm, λ/4 = 30 mm
5.5 GHz : λ = 55 mm, λ/2 = 27 mm, λ/4 = 13 mm

Výše uvedené vlnové délky platí ve vákuu a ve vzduchu.
Činitel zkrácení v kabeláži je 0.6 - 0.8.
V případě antén je počítání s vlnovými délkami trochu netriviální: jednak někde platí vlnová délka ve volném prostoru, jinde se uplatní činitel zkrácení, druhak se zářič s ostatními prvky (a zářiče v soustavě) navzájem ovlivňují apod. Kromě toho se v případě antény bavíme většinou o celém pásmu 2412-2484 MHz a 5180-5700 MHz, nikoli o jedné ostré frekvenci.

Potřebná šířka pásma u složitějších soustav více zářičů působí návrhový problém při kaskádním zapojení více článků laděných na Lambda/4 nebo Lambda/2 (transformátory impedance a fázovací vedení) - i malá odchylka od přesně naladěné frekvence znamená výrazné zhoršení vlastností antény (směrovost, zisk, PSV). Požadavek na širokopásmovost tedy anténnímu návrháři výrazně komplikuje zadání (svazuje mu ruce). Nejvyšším uměním je pak věda, co kde šikovně rozladit, aby měla anténa v celém pásmu alespoň trochu stálé parametry, třeba i za cenu mírně horšího špičkového zisku uprostřed pásma.

Prostý λ/4 prut (nebo λ/2 dipól) - malé příbalové bičíky

Quad

Pokud trochu chápete čtvrtvlnný prut a půlvlnný dipól, při prvním pohledu na Quad budete patrně vraštit čelo. Základní Quad je vlastně celovlnná anténa, vzniklá sériovým zapojením čtyř λ/4 úseků. Ve WiFi pásmech jsou ale k vidění spíš plošné kombinace dvou nebo čtyř quadů, zvané biquad a quadro-quad. Oproti základnímu Quadu mají větší efektivní plochu, tedy vyšší zisk a směrovost - přitom se poměrně snadno napájejí v jediném středovém bodě.

Quad a jeho násobci

Vyzařovací diagram biquadu s minimalistickým tyčovým reflektorem (vodorovná polarizace) - trojrozměrné zobrazení

Svislá rovina

Vodorovná rovina

Patch

Slovo "patch" znamená v angličtině záplatu na kalhotách, nebo třeba záhonek či přirozený trs nějakých kytiček, nebo prostě něco čtvercového.

A "patch antenna" je vlastně přesně totéž - kus čtvercového plechu o hraně λ/2, který ladí na určité frekvenci.
Ten kus plechu bývá předsazený ve vhodné vzdálenosti (λ/6 ?) před kovovou plochou, která slouží jako reflektor nebo "protiváha".
Napáječ je připojen v místě, které je vhodné z hlediska impedančního přizpůsobení - obvykle kousek od středu čtvercového zářiče. Napáječ je obvykle prostrčený zezadu dírou v základní reflektorové desce.
Druhou možností je napájení na hraně čtverce.

Patch anténa - náčrtek řezu (zdroj)

Patch anténa - napájení "kousek mimo střed" (zdroj)

Patch anténa - napájení "na hraně" (zdroj)

Patch antény se tradičně používají pro příjem GPS (1575 MHz). Jedná se obvykle o miniaturizovaná provedení s keramickým dielektrikem o vysoké permitivitě - vychází mocný činitel zkrácení, díky čemuž anténa ladí při mnohem menších rozměrech (má ovšem také menší efektivní plochu a zisk).

Patch antény - miniaturní keramické pro GPS (zdroj)

Yagi

WiFi Yagi značky Hwayotek

Antána známá jako Yagi, Uda-Yagi, nebo taky "televizní hrábě", je populární především v nižších frekvenčních pásmech - řekněme o 100 do 900 MHz.

Na WiFi pásmech je Yagi konstrukčně snad až zbytečně složitá a náročná na přesnost, také její symetrické napájení znamená trochu problém. Jsou k vidění WiFi antény pro pásmo 2.4 GHz - půlvlnný dipól a direktory tady vycházejí dlouhé řádově 6 cm, což je ještě konstrukčně zvladatelné...

Yagiho anténa se skládá z aktivního zářiče, kterým je dipól, nejčastěji půlvlnný skládaný, většího počtu "direktorů", což jsou pasivní (nenapájené) dipólky, které svou rezonancí pomáhají koncentrovat energii na hlavní napájený prvek - a poslední elektricky významnou součástkou je případně reflektor, který jednak pomáhá soustřeďovat energii ze žádaného "předního" směru, druhak zamezuje příjmu ze "zadního" směru. Nosné ráhno by mělo být elektricky neutrální.

Zvláštností Yagiho antény je její protáhlý tvar a vyzařovací lalok rovnoběžný s dlouhou osou antény. Všimněte si, že ostatní konstrukce vysoce ziskových antén a soustav mívají maximum vyzařovacího diagramu kolmé na delší rozměr antény (nebo na plochu).

Ilustrační obrázek - náčrtek Yagi pro pásmo 145 MHz (Zdroj a vynikající další čtení)

Omni = patrové kolineární všesměrové soustavy

Poměrně běžným typem antén jsou tzv. "všesměrové" tyče - běžně označované též jako "omni" (omni-directional).

Všesměrová anténa - 5 GHz, 8 dBi, svislý vyzařovací úhel 12o, PSV < 1,5 (Zdroj)

V rámci shánění informací jsem si ve 4nec2 namodeloval jednoduchou patrovou sestavu s osmi shodnými zářiči, kde jednotlivé zářiče jsou napájeny uprostřed a navzájem spřaženy paralelně.
Propoje jsou řešeny ideálním laděným vedením o délce λ nebo λ/2, které má tu vlastnost, že přesně 1:1 kopíruje impedanci mezi oběma konci vedení. Čili chová se jako přímý propoj. = Trochu jsem si to zjednodušil...
Zkusil jsem dvě varianty: se středovou roztečí zářičů λ/2 nebo 1 λ. Simulace víceméně potvrdila, co už víme: že menší rozteč zářičů dává širší vyzařovací úhel (hlavní lalok).

Středová rozteč zářičů = 1 λ	Středová rozteč zářičů = λ/2
Vyzařovací diagram kolineární patrové kombinace - trojrozměrné zobrazení (polarizace je vertikální)

Středová rozteč zářičů = 1 λ	Středová rozteč zářičů = λ/2
Vyzařovací diagram kolineární patrové kombinace - svislá rovina

Středová rozteč zářičů = 1 λ	Středová rozteč zářičů = λ/2
Vyzařovací diagram kolineární patrové kombinace - horizontální rovina

Z diagramů jistě chápete, jak je to vlastně s tou "všesměrovostí" u dlouhých a ziskových "omni" antén. Tyhle antény jsou všesměrové a ziskové jenom ve vodorovné rovině, ve svislém směru mají ostré maximum v rovině kolmé na osu antény. Pod svícnem je tma - pod svícnem potenciálně široko daleko.

U některých antén výrobci udávají, že vyzařovaný "talíř" není rovinný, ale že je vykloněný k zemi. Trochu jsem si pohrál s ideální délkou napájecích fázovacích vedení... po těchto experimentech mi není jasné
1) zda má anténa taky slušný zisk (protože mně se ho u "vykloněných" = naschvál rozfázovaných variant nepodařilo vyšroubovat) a
2) jak se vyzařovací diagram mění podle frekvence.

Totiž jedna věc, která naopak funguje zřejmě stoprocentně, je "šilhání" antény podle frekvence.

Šilhání antény podle přesné frekvence

Z animace plyne, že vyzařovací diagram nevypadá v celém pásmu stejně. Někteří výrobci antén tvrdí, že jejich antény nešilhají - což nezní moc věrohodně. "Nešilhání" by se dalo dosáhnout jedině tak, že by jednotlivé prvky byly napájeny shodně dlouhými úseky vedení, skutečně paralelními, z jednoho společného zdroje signálu - což dále předpokládá širokopásmovou transformaci impedance, bez použití úseků laděných délkou (obvykle λ/4). Toto vše je výrobně složité, u levných antén to nezní pravděpodobně.

Mimochodem... takhle vypadá "blízké" magnetické pole zmíněné modelové antény:

Magnetické pole osmipatrové kolineární antény (zářiče o délce λ/2, středová rozteč 1 λ)

Ne že by ten duhový obrázek byl k něčemu užitečný, ale je krásný :-)

Uveďme si ještě pár praktických konstrukcí kolineárních všesměrových antén pro wifi.
Asi nejpopulárnější konstrukcí je anténa z nastříhaných čtvrtvlnných úseků koaxiálního kabelu, které se sletují tak, aby se prostřídal středový vodič a stínění. Kupodivu se zdá, že kromě amatérských antén tuto konstrukci používá i řada komerčních produktů.

Kolineární anténa z nastříhaného koaxu, patra λ/4, vazba prokřížením středového vodiče se stíněním (Zdroj: Google "collinear omni")

Další možností je, vyrobit celou anténu z kusu drátu, kde jednotlivá "patra" jsou oddělena/navázána závitem na drátu.

Drátová kolineární anténa, patra 3/4 λ, vazba mezi "patry" závitem drátu (Zdroj)

Zajímavá je také "hrníčková" konstrukce. Představte si půlvlnný skládaný dipól, který extrudujete kolem delší osy. Vznikne "dvojhrnek", jehož středem lze ještě protáhnout napájecí vodič. Dvojhrnky se dají řetězit do patrové kombinace.

"Hrníčková" kolineární anténa, patra λ/2, vazba mezi patry volným koaxiálním drátem (Zdroj)

To jsou tři varianty vnitřního provedení patrové omni kombinace.
Reálně když kupujete anténu tohoto typu, vidíte jenom vnější plastový tubus - co je uvnitř, to obvykle zjistíte jedině pitvou.

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)

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 pochopitelně 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)

Následující animace přibližně ukazuje, jak se šíří vlnění v "žebrované vlnovodné anténě" / horně (anglicky "tapered feed horn" = doslova kónická budící horna, protože původně se tento design používal jako ozařovač nebo-li "napájecí bod" parabolických talířů).

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 příliš 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)

Edit 2018: jako použitelné a dostupné dual-bandové anténky lze zmínit proutky 2JW035 (výrobce 2J), Siretta Delta 6C a její slabší sestřičku Delta 7A, nebo také hříbek či "puk" Siretta Tango 23.
Zajímavý dvoupásmový prostorový zářič obsahují interiérová "UFO" APčka Ubiquiti "Unifi AP AC LITE".

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.
Update 2018: wifi karty v novém formátu M.2 mají ještě menší konektor než U.FL, zvaný MHF-4 (též MHF4, MHF-4L, nebo prostě HF) např. od výrobce I-PEX. Zatímco U.FL měl průměr 2 mm, I-PEX má 1.5 mm. Aneb jak udělat titěrnou vaklavou věc ještě titěrnější a fórovější.

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, noteboocích 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