Como definir a melhor antena Wi-fi para seu case.

Ola Bacanas, achei importante falar sobre este assunto pois o que nomalmente acontece e comprar uma AP (access Point) e o sinal não chegar a onde queremos, entao vamos aprender como escolher corretamente qual antena colocar em nossa AP.

A escolha correta do elemento irradiante (antena), na transmissão de dados via rádio é de extrema importância para o bom funcionamento do sistema. É o elemento irradiante (antena) que efetua o acoplamento de impedância entre a saída do transmissor e o espaço livre o qual é de 377 ohms.
Seus componentes, tais como: diretor, refletor, gama, plano terra etc... Devem ser proporcionais ao comprimento de onda da freqüência a ser irradiada.

O comprimento de onda de uma freqüência é o resultado da divisão da velocidade da luz por esta freqüência. Ex: 300.000. Km/s = 12,18 cm, ou seja, a freqüência de 2.462 Mhz possui o comprimento de onda de 12,18 cm Para escolher corretamente o tipo de antena a ser usado, devemos observar os seguintes itens, os quais serão comentados em suas individualidades no momento oportuno:
a) A distância que os sinais deverão atingir.
b) As direções a serem enviados os sinais.
c) A freqüência a ser usada.
d) A geografia do terreno entre os pontos de transmissão e recepção.

Embora existam muitos modelos de antenas, os tipos são basicamente três:

1) Direcional.
2) Semi-Direcional ou Setorial.
3) Onidirecional.

Direcional: são antenas que transmitem os sinais em uma única direção, com ângulo de irradiação bastante fechado, ficando aproximadamente entre 3 e 20 graus, cobrindo uma área bastante restrita, os modelos básicos são as parabólicas, podendo a parábola ser fechada ou não, as yagis e as helicoidais.
- A parabólica com parábola fechada, atenua sensivelmente os ruídos vindo de traz, enquanto a parábola de grade, atenua apenas moderadamente
- A yagi atenua moderadamente os ruídos vindos de traz.
-A helicoidal atenua sensivelmente os ruídos vindo tanto de traz como dos lados.

Semi-Direcional ou setorial: são antenas que transmitem os sinais também em uma única direção, porém com um ângulo de ir ra diação bastante aberto, ficando aproximadamente entre 30 e 180 graus, cobrindo uma área bastante extensa, o modelo básico é o painel setorial.
- O painel setorial atenua moderadamente os ruídos vindo de traz.

Onidirecional: são antenas que transmitem os sinais em várias direções, em ângulo de irradiação de 360 graus, conhecidas como omnis.
Todo o tipo de antena tem algum ganho em alguma direção, proveniente do fato de que as antenas não irradiam uniformemente em todas as direções.
A única antena que irradia uniformemente em todas as direções com intensidade igual de sinal existe somente na teoria, e se chama antena isotrópica, (é como se uma antena estivesse concentrada em um único ponto, dentro de uma esfera, irradiando para toda a superfície da mesma ao seu redor com intensidade igual). A utilidade prática da antena isotrópica é servir como base de comparação para todas as demais antenas.

O ganho de uma antena é medido em dB, sendo sua unidade expressa em dBi onde a letra "i" indica que o sinal máximo da antena foi comparado com o sinal de uma antena isotrópica, colocada no mesmo lugar. A largura e direção da área atingida pela irradiação de uma antena com seu ganho máximo a meia potência, chamamos de lóbulo de irradiação, o qual tem como medida seu ângulo de abertura e seu sentido de direção, pode ser horizontal ou vertical.
A onda eletromagnética irradiada por uma antena pode ter seu formato horizontal, vertical, circular ou helicoidal, o que chamamos de polarização.
Para que duas ou mais antenas se comuniquem entre si, é necessário que as mesmas estejam irradiando com polarização igual.
Obs: não confundir lóbulo de irradiação com polarização, ou seja, lóbulo de irradiação é a largura e direção da área atingida pela irradiação e polarização é o formato da onda irradiada.
Para que uma antena seja considerada de bom rendimento, é necessário que além do ganho em dBi, ela esteja sintonizada na freqüência para que foi projetada, irradiando no mínimo 89% da potência recebida pelo transmissor.
Para sabermos se uma antena esta sintonizada, é necessário medirmos sua R.O.E, que é a relação entre a potência irradiada e a refletida, o que chamamos de onda estacionária,a qual pode ser medida através da escala própria da R.O.E, ou em percentual.
Comparativo entre a escala da R.O.E e percentual:

ROE. = 1___1.2__1.5___2___3_____4_____5_____9
Perc. = 0%__1%__4%_11%_25%__36%__50%__65%

Classificamos a onda estacionária de acordo com seu percentual conforme Segue:
Até 4% ótima, entre 4 e 8% boa, entre 8 e 11% regular, entre 11 e 18% ruim, entre 18 e 25% péssima e acima deste percentual estaremos sujeito a sérios problemas.
Muitas vezes para baixar a estacionária de um sistema irradiante, torna-se necessário usar o cabo da linha de transmissão entre o transmissor e a antena, com extensão proporcional a múltiplos do comprimento de onda referente à freqüência em operação.
Em transmissão de dados via rádio, a distância atingida pela irradiação de uma antena pode ser estabelecida de acordo com seu ganho em dBi, isto é, para cada dBi de ganho acrescenta-se 900m de alcance.

Ex: Uma antena com ganho de 20 dBi terá um alcance de aproximadamente 18 Km, considerando que a potencia de saída do radio transmissor seja a usual de 32 mw.
O presente cálculo foi baseado na potencia usual de saidado rádio de aproximadamente 32 Mw. Para alcance maior que 900m por dBi, será necessário a troca por equipamento especial de maior potência ou o uso de amplificador.

Qual a melhor antena?

A melhor antena é aquela que coloca o sinal necessário, no local de recepção, com o menor desperdiço em outras direções, com a menor potência gerada, com o menor espaço ocupado, com a menor resistência ao vento, com o menor peso e com o menor custo.
Para a escolha da antena que mais se aproxime do ideal, é necessário primeiro definir o que desejamos fazer:
1º - Enviar ou receber sinais de/ou para um ponto predeterminado.
2º- Enviar ou receber sinais de/ou para vários pontos dentro de uma área predeterminada.
3º- Enviar ou receber sinais de/ou para vários pontos ao nosso redor.
4°- Para/ou de que distâncias queremos enviar/ou receber sinais.
Primeiro item - utilizaremos uma antena do tipo PARABÓLICA, podendo ser do modelo com parábola de grade ou fechada.

A diferença básica entre ambas, é que a parábola fechada atenua um pouco mais os ruídos vindo tanto de trás quanto dos lados, sendo indicada principalmente para locais onde a incidência de ruídos seja mais acentuada.
Obs: É bom lembrar que tanto a freqüência de 2.4 quanto à de 5.8 Ghz são freqüências chamadas de "visuais", tem que haver um ponto visual entre as antenas, pois trata-se de freqüências muito altas e qualquer obstáculo a sua frente pode interromper seu trajeto ou desvia-lo.
Segundo item - utilizaremos uma antena setorial, a qual ira cobrir uma área predeterminada que dependera do lóbulo de irradiação da mesma.
O ângulo de abertura do lóbulo de irradiação destas antenas variam de aproximadamente 40° a 120º graus na polarização horizontal e de 20° a 60° graus na polarização vertical.
Obs: Lóbulo de irradiação é a relação entre a direção, forma e área atingida pelos sinais de radio freqüência emitidos por uma antena, podendo ser comparado a um facho de luz. Antenas com dois lóbulos de irradiação distintos, um no sentido horizontal e outro no sentido vertical são antenas que possuem polarização, e as com um único lóbulo de irradiação, tipo circular ou helicoidal não possuem polarização.
Para que haja comunicação (link) entre duas ou mais antenas, é necessário que elas estejam polarizadas entre si.
Terceiro item - utilizaremos uma antena onidirecional, conhecida como omnidirecional, a qual irradia num ângulo de 360º graus horizontal e dependendo do seu ganho, de 10 a 3 graus verticais aproximadamente.
A quem diz que quanto mais alto instalarmos uma antena melhor, neste caso em que a freqüência é alta,tal ideia não condiz com a realidade, pois vai depender da distânciba e da altitude do ponto a ser atingido e do lóbulo de irradiação vertical da mesma.
Se uma antena for instalada muito mais alta do que os pontos a serem atingidos, e seu lóbulo de irradiação for muito fechado no sentido vertical, os pontos muito próximos da mesma e com desnível acentuado terão péssima qualidade de sinal ou nem haverá link com esta.
Uma antena omnidirecional com ganho de oito dBi possui um lóbulo de irradiação vertical de aproximadamente 7° a 9º graus dependendo do fabricante e sua irradiação chega aproximadamente a 7,2 Km com 32 mw de excitação, enquanto que uma omnidirecional com 15 dBi de ganho possui um lóbulo de irradiação na vertical aproximadamente entre 3º a 5º graus e sua irradiação chega aproximadamente a 13,5 Km.
Conclusão:
Devido a grande diferença acentuada dos graus nos lóbulos de irradiação vertical entre as duas antenas, teremos nos pontos bem próximos da omni de oito dBi um sinal de alta qualidade e em distancias superiores a 7,2 Km um sinal de regular para ruim, enquanto que na omni de 15 dBi teremos nos pontos bem próximos da mesma um sinal de péssima qualidade e entre 7,2 e 13,5 KM um sinal de ótima qualidade.
Portanto se substituirmos uma antena de oito dBi por uma de quinze dBi, teremos um maior alcance do sinal, porem aqueles pontos próximos da antena, que estavam com um sinal de boa qualidade, ficarão comprometidos.
Ou seja, nem sempre iremos resolver nosso problema com a substituição de uma omni de 8 dBi por uma de 15.O desnível entre antenas ficará mais acentuado devido ao ângulo do lóbulo de irradiação da antena de 15 dBi ser menor e portando mais crítico.
Se tivermos uma omni de 8 dBi instalada e quisermos atingir distância superior a sua capacidade (aproximadamente 7,2 Km), devemos fazer uso de amplificador, ou instalar uma omni de 15 dBi acima da omni de 8 dBi através de um divisor de potência.
Quarto item - calcularemos para cada dBi de ganho da antena a ser escolhida, cobrir uma área dentro de seu lóbulo de irradiação de aproximadamente 900 metros de distância, levando-se em consideração, a excitação da mesma pela potência usual de saída do equipamento de aproximadamente 32 mw.
Para que possamos atingir distâncias superiores a 900 metros por dBi de ganho de uma antena, mantendo a velocidade de tráfego de dados com qualidade do sinal, será necessário o uso de amplificador, ou a troca do equipamento usual (radio), por equipamento especial de maior potência.
Cuidados na instalação de antenas 2.4 e 5.8 Ghz.
A escolha correta do elemento irradiante (antena), sua qualidade, bem como a qualidade do cabo de transmissão com seus conectores que interligam o mesmo ao equipamento e qualidade de instalação, são requisitos fundamentais para uma boa performance na transmissão de dados.
1- verifique a situação geográfica entre os pontos de emissão e recepção dos sinais para ver se há visada entre os mesmos, e se possível faça um teste prático com transmissão de sinais para avaliar a qualidade do mesmo, determinando a viabilidade de link entre os pontos desejados.
2- Caso haja algum obstáculo entre os pontos definidos para efetuar o link (edifício, morro, etc...), que impeça o link, teremos que localizar um terceiro, que tenha visada para com os dois primeiros, a fim de servir de apoio para podermos viabilizar o projeto.
3- Verifique sempre se o local escolhido para a instalação da antena está dentro de uma área protegida por pára-raios, caso isto não aconteça, deixe sempre uma parte do metal onde se esta fixando o suporte da antena, mais alto que a mesma (de preferência que o mesmo seja pontiagudo), e faça um bom aterramento desta estrutura caso a mesma não esteja aterrada, para que sirva de pára-raios.
4- Mesmo que as instalações estejam protegidas por pára-raios, devemos reforçar a proteção dos equipamentos instalando um centelhador no cabo de transmissão, entre a antena e o rádio, e na tomada de energia dos equipamentos, usaremos um conjunto de tomadas de energia elétrica, do tipo régua filtrada, que além de possuir um filtro para atenuar ruídos da rede, ainda possui um varistor para proteção contra sobre tensão.
5- Procure instalar a antena o mais próximo possível do radio, pois as perdas do cabo em distâncias superiores a 15 metros já começam a ser preocupantes.
Caso isto não seja possível, teremos que optar por instalar o radio próximo da antena, dentro de uma caixa hermética, ou passar a fazer uso de amplificador do tipo externo.
6- Se o local onde for instalada antena estiver poluído por vários sinais de R.F, tente mudar a polarização da antena para atenuar os ruídos causados pela interferência dos mesmos.
7-Sempre procurar melhorar o sinal com antenas de maior ganho e do tipo e modelo com lóbulo de irradiação mais apropriado para o que se deseja.
8-Só fazer uso de amplificadores em último caso, pois os mesmos junto com os sinais amplificam também os ruídos, alem de interferirem (causar batimento) em sinais distintos próximos a ele.
9-Usar cabos e conectores de boa qualidade e com a impedância de acordo com os equipamentos, neste caso 50 ohms.
10-É de estrema importância que os conectores que ficarem expostos a intempéries, sejam perfeitamente impermeabilizados contra a umidade, de preferência com silicone, pois a umidade é o principal inimigo das altas freqüências.
-Podemos afirmar que noventa por cento dos problemas com perda de qualidade do sinal, diminuição no ganho da antena, perda de pacotes na transmissão de dados e aumento de ruídos, deve-se à entrada de umidade no elemento irradiante ( umedecendo seu gama ), e principalmente nas conexões por falta de uma perfeita impermeabilização, e com o passar do tempo vai piorando cada vez mais a qualidade de transmissão devido à oxidação dos componentes, processo este que continua independente se o componente já estiver seco.
Obs: Quando começar a aparecer alguns dos problemas acima, ou todos ao mesmo tempo e haja duvidas quanto ao diagnóstico da causa, inicie primeiro, verificando o cabo proprietário (aquele que conecta o cartão do radio a antena), se estiver bom, faça a manutenção nas conexões, se possível com a troca de conectores, centelhadores, etc... .
Se o problema ainda persistir, verifique se houve possibilidade de ter entrado umidade na parte interna das antenas tipos omnidirecional, setorial, e yagi, ou no alimentador no caso de antenas tipo parabólica.
Com este procedimento, poderemos ganhar tempo e evitar custos com envio de equipamentos para testes.

Com intuito de fornecer uma base para a interpretação de características técnicas de receptores e antenas, descrevo brevemente esta importante unidade denominada decibel ( abrevia-se "dB" ). Esta forma de notação é amplamente utilizada porque torna a tarefa de se calcular ganhos e perdas muito mais fácil. Através do uso da notação decibel podemos substituir a multiplicação ( ganho ) e divisão ( perdas ) por adição e subtração, respectivamente.

O decibel nada mais é do que uma expressão da relação entre dois sinais. Os sinais podem ser tensões, correntes ou níveis de potencia. Quando convertido para a forma de notação decibel, entretanto, os logaritmos das relações são usados ao invés das taxas aritméticas simples. É o uso do logaritimo das relações que torna possível substituir multiplicação e divisão por soma e subtração.

O decibel foi originalmente concebido pela industria da telefonia para descrever os ganhos e perdas de sinais de áudio   nos circuitos de telefones. A unidade original foi denominada bel após Alexandre Graham Bell, o inventor do telefone. Na maioria das atividades da eletrônica, entretanto, o bel provou ser uma unidade grande, logo o decibel ( um décimo de um bel ) foi adotado como notação padrão.

Uma forma prática de se entender o conceito de decibel, é através do ouvido humano. O ouvido responde ( é mais sensível ) a mudança na intensidade do som em níveis mais baixos do que altos. Um acréscimo de 4Watts para 5Watts irá parecer muito mais alto do que uma mudança de 20W para 21W, ainda que ambos incrementos sejam de 1Watt. É entretanto as relações de potencia que realmente importa ( 4W para 5W representa um acréscimo de 25% em potencia, enquanto 20W para 21W é um acréscimo de apenas 5% ). Como veremos a seguir, dobrando a potencia de saída de um amplificador de 50W para 100W é um acréscimo de 3dB; quadruplicando a potencia de saída de 50W para 200W é apenas um acréscimo de 6dB a partir dos 50W originais.

Dobrando a potencia representa um acréscimo de 3dB, enquanto dobrando a tensão ou corrente é um acréscimo de 6dB. Isto se deve ao quadrado da tensão conforme a potencia. Quando um numero é elevado ao quadrado, o logaritimo é dobrado, criando relações de tensão que são o dobro das quantidades em dB para as relações de potencia equivalentes.

As formulas básicas são :

Potencia(W) = Tensão(V) x Corrente(A)

Potencia(W) = Corrente(A)**2 x Resistência(Ω)

Tensão(V) = Corrente(A) x Resistência(Ω)

Potencia(w) = Tensão(V)**2 x Resistência(Ω)

**2 -> elevado ao quadrado

Existem três formas de calcular o decibel, dependendo do que se trata, sendo tensão, corrente ou nível de potencia. A maioria do trabalho de receptores de radio é baseado no decibel de potencia, assim, analisaremos este em primeiro. Lembre-se que o decibel encontra a relação entre dois níveis de potencia, e se expressa com um numero logaritimo. Se P1 e P2 são dois níveis de sinais, então a relação é P1/P2 . Para encontrar o equivalente decibel :

dB = 10 LOG { P1/P2 }

Onde :

dB é o equivalente decibel da relação P1/P2
P1 e P2 são os níveis de potencia (*)
LOG se refere ao logaritimo de base 10

(*) podem ser expressos em qualquer unidade ( watt, miliwatt, microwatt), mas ambos tem que ser expressos iguais

Exemplo :

Um sinal de potencia de 10 watts é aplicado a uma longa linha de transmissão. A potencia medida no fim da carga é de 7 watts. Qual é a perda em decibéis ?

Solução :

dB = 10 LOG ( P1/P2 )
dB = 10 LOG ( 7/10 )
db = 10 LOG ( 0.7 ) = (10)(-0.155) = -1.55 dB

Note que o sinal da resposta, -1.55 dB, é negativo. Isto indica que a relação representa uma perda. Se a taxa representasse um ganho o numero seria positivo.

As expressões decibel de tensão e corrente são similares a expressão da potencia, exceto pela constante que é 20 ao invés de 10 :

Para relação de tensão e corrente :

dB = 20 LOG ( V1/V2 )
dB = 20 LOG ( I1/I2 )

Relação de Potência	Fator	Db
1000:1	1000	30
100:1	100	20
10:1	10	10
2:1	2	2
1:1	1	0
1:2	0.5	-3
1/10	0.1	-10
1/100	0.01	-20
1/1000	0.01	-30

Comparação de mudanças de níveis de potencia a mudanças em decibéis ( para tensão ou corrente multiplique o numero dB por dois )

Escalas Especiais de dB

Ao longo dos anos diferentes segmentos da industria de radio e eletrônica tem criado escalas especiais para seu próprio uso. Todos são baseados nas três equações fornecidas acima. As diferenças estão nas condições especificadas sob as quais as medidas são realizadas, e do nível especifico usado como ponto de referencia.. A referencia padrão de tensão ou potencia será colocada no denominador da equação, e é geralmente referida como o nível de referencia de "0 dB". Este nome vem do fato de que colocando o mesmo nível no numerador produz uma relação de 1:1, ou 0 dB. A seguir um exemplo de escala especial diferente para dB.

dBm. Estas unidades se referem aos decibéis relativos a um miliwatt ( 1 mW ) de potencia dissipada em uma impedância resistiva de 50 ohms ( definido como o nível de referencia de 0 dB ), e é calculado a partir de 10 LOG ( Pwatts/0.001 ) ou 10 LOG ( PmW ). A escala dBm é usada na descrição de amplificadores e receptores. Por exemplo, um sinal de entrada ou de saída pode ser definido em termos de dBm. Similarmente, o ruído de fundo de um receptor pode ser fornecido em dBm.

dBµV. Esta unidade se refere a um sinal de tensão, medido em decibéis, relativo a um microvolt ( 1 μV ) desenvolvido ao longo de uma impedância resistiva de 50 ohm ( o dBµV ).

Notação dB de Antenas

A notação decibel é freqüentemente vista em especificações para antenas e radio. O ganho e a relação de diretividade ( frente-trás  e frente-lado ) são tipicamente especificados em decibéis. No caso das relações de diretividade os valores são medidos através da observação da antena em uma constante potencia de RF enquanto a mesma é rotacionada.  As níveis de sinal são medidos na parte frontal, lado e de trás de forma que as relações possam ser calculadas.

A questão de ganho é um pouco diferente, entretanto. Existem duas formas básicas de especificações de ganho de antenas : ganho relativo a isotrópica ( dBi ) e ganho relativo a dipolo ( dBd ).

O ganho relativo a isotrópica ( dBi ) usa uma construção teórica chamada irradiador isotrópico, o qual representa uma fonte esférica de energia de RF que irradia igualmente bem em todas as direções. A potencia disponível é distribuída igualmente ao longo da superfície inteira da esfera. Antenas de ganho distribuem a mesma quantidade de potencia através de uma porção muito menor da esfera, de forma que os cálculos possam ser realizados facilmente. O método de ganho isotrópico é o preferido pelos projetistas de antenas.

O ganho relativo a dipolo ( dBd ) usa o antena dipolo  de meia onda como referencia. Quando ambas antenas são ajustadas para interceptar o mesmo sinal, então o ganho da antena de teste é encontrado através da medição dos níveis de sinal de ambas as dipolos de referencia e teste, e a partir daí, e realizado o calculo. a medida dBd é aproximadamente 2 dB maior do que a medida de dBi.

Cálculo de Decibel

A beleza na notação decibel é que torna os cálculos relacionados a eletrônica e em especial ao radio mais simples. Considerando o sistema abaixo :

Assuma que um sinal de 1 dBm é aplicado na antena. Existem perdas no cabo coaxial ( -1 dB ), perdas no atenuador fixo ( -3 dB ), e ganho em dois amplificadores ( +5 dB e +10 dB ). Quanto potencia é observada na saída ( Pout ) ? A potencia de saída será :

1dBm - 1dB + 5 dB - 3 dB + 10 dB = +12 dBm

Note que os ganhos e perdas são manipulados com simples adições e subtrações. Se a notação decibel não fosse utilizada, então seria necessário multiplicar para ganhos e dividir para perdas. Repare também que tanto dBm e dB são misturados no mesmo problema. Isto estabelece os parâmetros do problema, e é um uso valido. Não se devem porém misturar diferentes escalas especiais de dB ( ex: dBm e dBμV ); do contrario, estaremos comparando bananas com laranjas.

Espero que tenha ajudado.

abs.