Prima puntata, le noiose premesse teoriche e alcune antenne commerciali
Salvo rarissime eccezioni, le schede Lora in vendita sono fornite con antenne penosamente inefficienti. Antenne che vanno bene giusto per iniziare a fare qualche prova in casa o su distanze molto brevi.
Questa per esempio è l’antenna standard della Heltec V3. Al suo interno c’è un filo di rame attorcigliato a bobina
Non c’è da stupirsi quindi se una delle prime domande che chi si avvicina a Meshtastic sicuramente farà riguarda le antenne. Ho comprato la scheda xyz, quale antenna mi consigliate per migliorare le prestazioni?
Nella Wiki di Lora Italia ci sono già alcune recensioni che vi invito a consultare.
Io aggiungerò alcune premesse teoriche che mi auguro vi aiuteranno a capire meglio e anche qualche opinione personale.
Iniziamo dunque con qualche dato di base. Prima di tutto, le stazioni collegate alla rete mesh di Meshtastic trasmettono normalmente in polarizzazione verticale. Ora, senza entrare in troppi dettagli, che vedremo semmai in seguito, questo significa in soldoni che la classica antenna sarà uno stilo verticale. Nella foto un esempio di stilo verticale con connettore SMA
Queste antenne, dotate di snodo, proprio a causa dello snodo non sono molto adatte ad uso esterno. Ne esistono varianti senza snodo, già più solide, ma anche in questo caso, per uso esterno, è praticamente obbligatorio sigillare la parte bassa con nastro auto agglomerante, perché il connettore SMA non è fatto per essere impermeabile.
Un antenna con già alcune pretese di solidità
Si tratta in questo caso di uno stilo in fibra di vetro con connettore N, studiato per essere impermeabile.
Il guadagno delle antenne
Dopo questa prima panoramica, sarà, pazientate, necessario introdurre un aspetto tecnico che riguarda l’efficienza delle antenne in generale, il guadagno. Il guadagno di un’antenna si misura in dB. Anzi, a voler essere precisi, il guadagno di una antenna si misura in dBi free space.
Aiuto, non bastavano i dB, adesso cosa sono questi dBi e, soprattutto, cosa significa free space?
Il decibel è un’unità di misura logaritmica del rapporto fra due grandezze omogenee (ad esempio potenze), ma non complichiamoci la vita, l’unica cosa che ci interessa veramente è che un aumento di 3 dB corrisponde al raddoppio della potenza.
Tuttavia, per valutare il guadagno di un’antenna occorrerà paragonarla a qualcosa di definito. Ecco spiegata la (i) di dBi. Infatti i dBi sono decibel isotropi, misurano il guadagno di un’antenna rispetto a un’antenna teorica isotropa. Teorica perché è considerata puntiforme e dunque non esiste nel mondo reale, e isotropa perché irradia uniformemente in tutte le direzioni.
Poiché in natura nulla si crea e nulla si distrugge, dire che un’antenna ha un guadagno equivale a dire che la sua maggiore potenza in una direzione sarà alle spese di una equivalente minor potenza in altre direzioni. Si parla, con un altro termine tecnico, di diagramma di irradiazione.
Tirate un lungo respiro, ci siamo quasi. Diagramma di irradiazione come e dove? Il diagramma di irradiazione di un’antenna è, purtroppo inevitabilmente, influenzato da quello che le sta intorno. Quindi non è un buon valore di riferimento. Per questo motivo il valore di riferimento si intende in *free space*, in spazio aperto, cioè di nuovo in un luogo che non esiste in natura, un luogo dove non ci sia assolutamente nulla oltre alla nostra beneamata antenna.
I venditori di antenne si potranno anche sbizzarrire a inventare riferimenti differenti, ma questi sono quelli ufficialmente riconosciuti e accettati.
Diagrammi di irradiazione
Adesso, per farmi perdonare, un po’ di disegnini.
Il diagramma di irradiazione di un dipolo isotropico, se esistesse, sarebbe una sfera. Vi risparmio il disegno di una sfera.
Ecco invece il diagramma di irradiazione di un dipolo verticale di lunghezza uguale a ½ onda (aiuto !!! mezzo cosa ???) in free space.
Lo stesso dipolo in ambiente reale posizionato, ad esempio, 10 lunghezze d’onda sopra il suolo. Come si può vedere in 3d, il diagramma di irradiazione è omni-direzionale
.
Di solito, tuttavia, i diagrammi di irradiazione che vedrete assomigliano di più a questi, bidimensionali.
Il guadagno di un dipolo in free space è convenzionalmente 2.15 dBi
Su terra reale, altezza circa 3 metri e mezzo.
Il guadagno di un dipolo verticale per la frequenza di 869 MHz, 3.5 metri sopra il livello del suolo, è di circa 7.4 dBi ad un angolo di 1.5 gradi. A diversi gradi di elevazione corrispondono guadagni differenti.
Perché accade questo? Le onde radio riflesse dal terreno si sommeranno se sono in fase, si sottrarranno se sono in contro fase, con tutte le situazioni intermedie possibili. Il guadagno a bassi angoli di irradiazione si ottiene alle spese di una minore irradiazione ad alti angoli e questa cosa si suppone sia un vantaggio, perché le altre stazioni con cui vogliamo comunicare non sono sulla luna.
Inevitabilmente, tre parole in croce dovremo dirle anche sul concetto di lunghezza d’onda, visto che abbiamo usato il termine e non l’abbiamo ancora spiegato. Le onde radio si propagano (quasi) alla velocità della luce, con un andamento sinusoidale. La lunghezza d’onda è la lunghezza di questa sinusoide. Ora, gli esperti non stiano a crocifiggermi, non voglio aggiungere altro se non che alla frequenza usata dalle radio Meshtastic, 869 MHz, la lunghezza d’onda è 345 millimetri. Un dipolo ½ onda sarà quindi lungo approssimatamente 172 mm. ¼ d’onda saranno 86 millimetri. Facile, almeno per adesso.
Le antenne in commercio
Torniamo quindi nel mondo reale, adesso però con la competenza, almeno spero, per comprendere i dettagli. E cominciamo a parlare delle antenne commerciali che è possibile acquistare.
Il primo passo è sicuramente dotarsi di uno stilo verticale con connettore SMA, ad un prezzo accessibile. Il problema più grave segnalato a proposito di queste antenne è che molte non sono tarate accuratamente, non sono cioè adatte alla frequenza di 869 MHz. Se possedete un nanoVNA potete facilmente modificarle ed ottenere una taratura praticamente perfetta, ma se possedeste un nanoVNA probabilmente non avreste bisogno di leggere queste note.
Se ne smontate una potrete vedere che all’interno c’è un dipolo a mezz’onda, un tipo particolare di dipolo che si chiama Sleeve Dipole, semplicemente perché la parte bassa è costituita da un tubo che circonda il cavo coassiale. In Inglese, Sleeve significa manica, ma nel nostro caso meglio guaina, manicotto, niente di particolarmente esoterico.
Perché poi sia necessario circondare il coassiale con un tubicino metallico che costituisce la parte inferiore del dipolo ve lo racconterò in un’altra occasione
Come abbiamo visto, il guadagno teorico di un dipolo sono 2.15 dBi. Spesso il produttore dichiarerà un guadagno maggiore, ma, semplicemente, non è vero. Queste antenne, considerate anche le inevitabili perdite causate dal radome in plastica, non arrivano a 2 dBi.
I classici sleeve dipole smontati alla fine sembrano tutti uguali ma chi li ha comprati riferisce che alcuni sono meglio di altri. Io, per esempio, ho avuto buoni riscontri da quelli venduti su Amazon da GbFormat.
Anche il *bananino* di cdebyte ha ottime recensioni
Bisogna però stare molto attenti perchè alcune di queste antenne nascono per la frequenza *americana* di 915 MHz e quindi non sono adatte alla frequenza *europea* di 868 MHz.
Un altro problema segnalato con questo tipo di antenna riguarda lo snodo. Agendo sullo snodo si sposta anche lo sleeve interno, con effetti sul ROS che possono essere catastrofici. Anche a prescindere dal ROS, lo snodo è un punto di infiltrazione di acqua se l’uso dell’antenna è previsto per l’esterno, quindi io blocco sempre tutto con il nastro auto agglomerante. Esistono anche modelli senza snodo. Alcuni sono stati recensiti positivamente.
Antenne per esterni
Le antenne con radome in fibra di vetro e connettore N sono il passo successivo. Un dipolo semplice assolutamente ben costruito è quello di CDSENET, la TX/868-BLG-26, di cui avete già visto la foto nelle pagine precedenti. Se volete un dipolo con il radome in fibra non andate a cercare altro se non questa, costa poco ed è ultra collaudata da moltissimi utenti della comunità. Il guadagno annunciato è di 3 dB ma, ovviamente, trattandosi comunque di un dipolo, sarà poco superiore a 2 dBi. Ma è un’antenna onesta.
Le antenne collineari
Abbiamo visto per ora solo dipoli a ½ onda. In commercio esistono tuttavia anche antenne omnidirezionali con guadagni teorici superiori, le antenne collineari. Qui la cosa diventa un po’ più delicata, per non dire un film a luci rosse. Per capire davvero cosa state comprando quando vi vendono una collineare ci servono di nuovo alcune premesse teoriche.
Cosa si intende per *collineare*? Si tratta di una configurazione nella quale più elementi sono disposti sulla stessa *linea*, nel nostro caso dunque uno sopra l’altro.
Un esempio del tutto teorico nel quale due dipoli sono posti in configurazione collineare
e il suo diagramma di irradiazione free space
Il guadagno teorico è praticamente il doppio di quello di un dipolo singolo. Per raddoppiare ancora, al filo dei 9 dBi (ricordatevi che 3dB sono un raddoppio di potenza), ci servirebbero 4 elementi. E se volessimo ancora altri 3 dB, gli elementi diventerebbero 8, per un guadagno teorico di 12 dBi.
Ci sono due aspetti che è bene chiarire subito, prima di parlare di antenne collineari vere, che troverete in commercio. Gli elementi collineari devono irradiare in fase. Di nuovo, gli esperti mi perdonino, ma mi spiego solo con un disegno. Nel disegno precedente i dipoli erano in fase. Adesso sono in contro fase:
E questo significa perdere, non guadagnare, perché 1 + 1 uguale due, ma 1 – 1 uguale zero
Inoltre anche la spaziatura verticale fra gli elementi ha il suo peso. Se gli elementi sono troppo vicini il guadagno ottenuto non sarà ottimale.
Sarà perciò necessario introdurre nel sistema antenna qualcosa che controlli la sfasatura fra gli elementi e questo qualcosa determinerà di solito anche la spaziatura fra gli elementi. E’ improponibile esaminare in questa sede tutte le possibili scelte per ottenere queste due necessarie condizioni. In particolare, non esaminerò adesso il caso molto noto delle collineari costruite con cavo coassiale. Mi limiterò ad accennare alla scelta commercialmente più diffusa, lasciando le altre ad una seconda puntata dedicata alla auto-costruzione.
Cominciamo dallo schema teorico di due dipoli verticali collineari ove lo sfasamento è ottenuto con l’interposizione di un avvolgimento, una bobina insomma. Lo sfasamento deve essere di 180° precisi, è critico, è molto critico. Se lo sfasamento non sarà quello giusto il guadagno non sarà ottimale o, peggio, ci ritroveremo con un’antenna inutilizzabile.
Una configurazione come questa guadagnerà approssimativamente 5 dBi
Adesso
raddoppiamo, per arrivare a 8 dBi
Ed ecco il corrispondente diagramma di irradiazione. Questa antenna alla frequenza di 869 MHz sarebbe alta più di un metro solo per gli elementi, ma bisognerà pur aggiungere il connettore e un minimo di spazio per la staffa. Diciamo quindi attorno a 120 cm.
Ora, voi sicuramente vi state domandando perché la sto facendo tanto lunga. Il fatto è che sul mercato troviamo collineari che costano 40 euro, sono alte 50cm e dichiarano 8 dBi di guadagno. Il che è fisicamente impossibile. Poi troviamo anche collineari che dichiarano 8 dBi ma sono alte 150cm e costano 150 euro. Il fatto è che le collineari false sono palesemente false e le collineari vere sono poco diffuse perché costano piuttosto care, e non è facile trovare recensioni affidabili. Non risultano al momento esistere sul mercato collineari sotto i 100 euro delle quali ci si possa fidare. Sono state di recente pubblicate recensioni molto favorevoli delle antenne collineari Sirio. Quella piccola, da 6 dBi, è alta 85 centimetri. Quella intermedia, che dichiara 8 dBi, è lunga (non per caso) più di un metro e mezzo e costa, mi dicono, attorno ai 150 euro. Quella grande, da 10.5 dBi, è alta due metri e mezzo. Non oso chiedere quanto possa costare. Queste sono antenne che forse può essere utile montare su un buon tetto, un edificio alto in una zona di pianura. Non è immaginabile montarle su un nodo solare in montagna.
Riassumendo, il mio suggerimento riguardo alle collineari è: fatele comprare a qualcun altro. Fatele provare sul campo a qualcun altro, qualcuno di cui ci si possa fidare, e poi semmai compratele anche voi se la stazione che state attrezzando è compatibile con un’antenna così importante. Nel frattempo potete anche farvi due risate leggendo le relazioni di chi ha comprato collineari cinesi e ci ha trovato dentro un dipolo, con tutto il resto del tubo completamente vuoto.
Spero siate arrivati vivi in fondo. Nella seconda puntata, se mai vedrà la luce, studieremo come costruire in autonomia qualche altro tipo di antenna.
Ale 
Fulvio