Christian Couderc

Antenne WI-FI

Exemple : quasi Omnidirectionnelle

Descriptif de cette antenne
Les entrailles de la bête
Mesures scalaires
Modélisation de l'antenne
Analyse vectorielle
Les limites de la modélisation
Conclusion : Essais en situation
Liens

Maj : 03/05/10

Abstract :
A complete analysis of a commercial chinese antenna for the Wi-Fi band, proclaimed to have a fabulous gain. Myth, reality and perplexity.
Real testing in situation and conclusion.

Résumé :
Une analyse complète d'une antenne commerciale chinoise pour la bande Wi-Fi, donnée pour avoir un gain fabuleux. Mythe, réalité et perplexité.
Tests réels en situation et conclusion.

Descriptif de cette antenne Wi-Fi omnidirectionnelle

Cette antenne annoncée comme omnidirectionnelle a été choisie pour sa discrétion et sa possibilité de voir presque tout l’horizon.
Une fois la cible trouvée, si le signal est trop faible, elle peut être très avantageusement remplacée par une Yagi bien meilleure mais au pointage délicat, car en principe on ne sait pas quelle est la direction à viser.

L’antenne se présente comme un tube de plastique blanc de diamètre 5 cm et 60 cm de long.

(achat sur eBay, port compris 49 €)

Le câble Belden H155PE (documentation disponible en ligne) de 50 dB de perte pour 100m, a donc une perte de 3 dB pour les 5.6 mètres fournis (3 dB = la moitié de la puissance est perdue !)

L’antenne est donnée pour un gain de 26 dBi chinois, unité variable qui n’a pas de correspondance avec les dBi du monde réel. La suite montrera la réalité de la performance.

Les entrailles de la bête

L’antenne se démonte facilement en faisant glisser les bouchons et dévoile son montage.
Elle est constituée de deux fois cinq spires plates enroulées sur une plaque de plastique sous un angle proche de 45 degrés, en fil de 7.7 mm de diamètre.

C'est une antenne deux fois cinq carreaux, assez particulière, car les deux moitiés sont reliées en parallèle. Pour nos montages habituels en carreaux multiples, l’antenne n’est constituée que d’un seul fil les deux extrémités alimentées au centre.
Ici il s’agit de deux fils mis en parallèle, ce qui descend l’impédance environ de moitié (mais les deux parties interagissent).

La longueur d'une extrémité à l'autre est de 419 mm. La largeur d'enroulement est de 44 mm.
Connaissant les deux diagonales des losanges, nous pouvons en calculer le périmètre, c'est quatre fois la racine de la somme des carrés des deux diagonales. L = 4 * racine ((41.9/2)² + (44/2)² ) = 121.5 mm
Il s’agit d’un montage de cinq carreaux onde entière en phase, donc la longueur d’onde est le périmètre du carreau soit 121.5 cm, ce qui correspond exactement à la fréquence de 2.5 GHz.
Le support diélectrique plastique a de de faibles pertes, ce qui produit un allongement virtuel de la ligne.
Cela devrait amener les carreaux un peu plus bas en fréquence, en bande Wi-Fi de 2.412 à 2.484 GHz.

wifi_omni

Sur ce dessin explicatif, en bleu la couche supérieure, en rouge la couche inférieure, séparée par l'épaisseur de l'isolant de 2 mm, en matériau de bonne qualité aéré, à faibles pertes diélectriques. C'est un fil continu pour chaque demi antenne, raccordé au centre (remarquez bien la liaison parallèle).

Cet enroulement sur un support plat permet de prévoir intuitivement un lobe non omnidirectionnel, avec des trous dans le plan de la plaque, ce que confirmera la suite.
La modélisation permettra de calculer tous les paramètres de ce dispositif.

Les mesures scalaires

Pour changer un peu, les premières mesures suivantes ne sont pas faites à l’analyseur de réseau, mais en utilisant un excellent coupleur Krytar à haute directivité (0.5 à 18.5 GHz), avec l’analyseur de spectre HP8564E (40 GHz) et le tracking HP 85645a Le résultat est équivalent, car la seule mesure réalisée ici est celle du réfléchi S21.

Recopie GPIB avec interface Prologix et l'excellent programme de John Miles 7470

Toutes les courbes suivantes montrent le paramètre S11 qui caractérise le ROS. Pour mémoire (définition extraite de Wikipedia) S11 : coefficient de réflexion à l'entrée lorsque la sortie est adaptée ; S12 : coefficient de transmission inverse lorsque l'entrée est adaptée ; S21 : coefficient de transmission direct lorsque la sortie est adaptée ; S22 : coefficient de réflexion à la sortie lorsque l'entrée est adaptée. La calibration place la référence de 0dB en haut. Les mesures sont faites avec 5 dB par carreau. Première analyse en bande large, entre 2 et 3 GHz, avec câble original de 5.58 m, pour avoir une idée du comportement. La courbe montre les résonnances en lambda/2 des 5,6 m de câble et laissent présager un mauvais ROS.
Dans les mêmes conditions, en bande Wi-Fi, entre 2.4 et 2.5 GHz, mesure de l’écart entre les demi-ondes. En mesurant sur deux demi-ondes nous trouvons la fréquence de résonnance du câble : 2460.2 - 2.416.6 = 43.55 MHz soit une longueur d’onde dans le vide de C/F = 300 * 10⁶ / 43.55 * 10⁶ = 6.89 m La datasheet Belden donne une célérité du câble de 0.81 Cela correspond à une longueur réelle de câble de 6.89 * 0.81 = 5.58 m C'est exactement la longueur mesurée.
Analyseur de spectre ou vectoriel ? Afin de montrer que des mesures scalaires sur un seul paramètre se font aussi bien avec un analyseur de spectre + tracking+ coupleur haut de gamme, les mesures suivantes du réfléchi S21 sont faites au Wiltron. Quand deux paramètres sont à mesurer, direct S12 et réfléchi S11, l’analyseur de spectre n’est pas pratique car il faut commuter en permanence l’entrée unique. Devant ce mauvais résultat, le câble est raccourci à 2 m pour réduire la perte de 3 dB vers 1 dB. Nouvelles mesures avec câble court (attention 2 dB/carreau !) Première analyse entre 1 et 3 GHz avec câble recoupé à 2 mètres. Bande large
Idem en bande Wi-Fi, entre 2.4 et 2.5 GHz Nous en profitons pour vérifier la nouvelle longueur. Longueur d'onde = 2 * (2485 - 2430) = 120 MHz 300 * 0.81 / 120 = 2 mètres Remarque positive : Le tube (PVC ?) blanc qui protège l’antenne est un bon diélectrique qui ne modifie pas de manière sensible les accords.
Le réfléchi étant très mauvais, pour lever le doute, suppression du câble et mesure au ras de l’antenne. Nouvelles mesures sans câble de 2 à 3 GHz. Le marqueur est sur l'accord à 2.8 GHz (trop haut !) L’antenne montre ainsi son vrai comportement, n’étant plus tamponnée par les pertes du câble (vu comme un atténuateur de 3 dB à constantes réparties). En bande Wi-Fi: à 2.4 GHz retour de 7 dB ce qui donne un ROS de 2.6 à 2.5 GHz retour de 11 dB ce qui donne un ROS de 1.8
Pour lever le doute sur la mesure, voici à la place la petite antenne caoutchouc livrée avec l’interface Wi-Fi de 1 W. Cette fois, c’est bien une vraie antenne qui résonne parfaitement bien dans la bande Wi-Fi.

wifi_omni

Modélisation de l'antenne

J'ai modélisé exactement l'antenne avec l'excellent logiciel libre Mmana-gal disponible ici : mmhamsoft.amateur-radio.ca

Je vous conseille vivement de le charger et de vous amuser en modifiant les éléments et en testant les divers couplages (exemples fans les fichiers joints).
Il faut quelques heures pour bien maîtriser l’outil, mais cela vaut le coup de s’investir, il y a beaucoup de manipulations possibles !
Vous verrez dans les paramètres, l’influence importante de la hauteur par rapport au sol, de 0.7 m (en position sur le toit du camping-car) ou à 10 m de haut, valeur irréaliste, mais qui améliore énormément la situation. Testez sous diverses fréquences, cela change tout.
Le format « mnna » est très simple, il est facile à importer et exporter depuis Excel, ce qui permet de calculer automatiquement des antennes à nombreux brins.
Mes fichiers "mna" de l'antenne modélisée, et le texte joint explicatif des variantes, évoluent dans ce fichier, qui contient aussi d'autres variantes en jouant sur les couplages au centre (variantes qui donnent des résultats pires). Mise à jour des fichiers 16/03/2010 : wifi_ant.zip

Lors des premiers essais ma modélisation ne correspondait pas aux mesures. Je me suis inscrit sur le forum Mmana-gal, j’ai soumis le problème, et le concepteur du logiciel Igor, DL2KQ, m’a répondu par retour et fourni la solution ! Il fallait déclarer une segmentation de -1 et non pas zéro. L’erreur est corrigée et cela fonctionne. Merci Igor et bravo !

Voici à quoi ressemble l'écran de saisie des éléments :

Voici la géométrie de cette antenne, j’ai grossi ici l’épaisseur de 2 à 10 mm pour bien faire ressortir les changements de couches.

Tous les autres résultats suivants sont en dimensions réelles, avec l'épaisseur de 2 mm.

Voici un gros plan de la partie centrale, avec l'attaque du coaxial réalisée sur les deux branches en parallèle. En déplaçant les fils, il est facile de simuler d'autres configurations (qui figurent dans le fichier fourni).

Voici le diagramme à 3 degrés d'élévation pour les deux polarisations H et V. L'évolution est très rapide suivant l'élévation. La somme est globalement assez bien omnidirectionnelle.

Le résultat complet de la simulation nous donne une foule d'informations intéressantes, le calcul est fait ici en milieu de bande Wi-Fi.
Lisez la documentation de Mmana pour en comprendre les subtilités. Courbe de polarisation verticale en rouge, horizontale en bleu.
La courbe de gauche nous montre le pincement du lobe V dans le plan du support (épaisseur Y = 0). La courbe de droite montre les fluctuations en fonction de l'élévation.

Les courbes de polarisation H et V évoluent suivant l'élavation entre des Lemniscates de Booth (qui ressemblent vaguement à deux cercles collés et déformés), et des ovales.
Les deux axes de polarisation sont perpendiculaires, l’interprétation est délicate.
Pour une antenne strictement verticale, par exemple un doublet, on comprend intuitivement que la polarisation sera strictement verticale.
Si l’on fait tourner cette antenne dans le plan horizontal, on comprend intuitivement que la polarisation sera strictement hozizontale.
Mais si comme ici, l’antenne est construite en fils obliques, cela n’a plus rien d’intuitif !
Seul le calcul nous montrera que les deux polarisations vont exister, la direction du maximum de l’une correspondant au minimum de l’autre.
Si l’on fait la somme des deux polarisations, l’antenne sera en moyenne relativement omnidirectionnelle de 1 à 16 degrés d'élévation !

Ce mélange des deux polarisations est un avantage en réception d’un signal ayant rencontré de nombreux obstacles. Les plans de polarisations tournent à chaque réflexion, l’antenne recevra la combinaison fluctuante des deux polarisations ce qui lui assurera un gain constant quelle que soit la source.

La simulation nous donne un gain de 9.4 dBi, ce qui semble bien plus réaliste que les 26 dBi annoncés par la publicité.

Cette simulation nous donne des valeurs de SWR et d'impédances imaginaires très anormalement élevées qui semblent non significatives.

Cette antenne est très sensible à l'épaisseur de la plaque isolante, en faisant légèrement varier les 2 mm, les résultats de la simulation changent beaucoup, ce qui est très néfaste à la reproductibilité d’une réalisation.

Autres modèles inclus dans le fichier

Dans le fichier fourni wifi_ant.zip, j'ai mis la version basique de la modélisation qui prend pour l'axe des X l'épaisseur du support :
wifi26_original_no-seg.maa : 9.38 dBi z= 40.7+j51.3 SWR = 3

Quelques autres modèles inclus dans le fichier : Diverses variantes de cette géométrie, calculs à 2 degrés d'élévation, à 0.7 m du sol

wifi26_10_squares_serial_centerfeed_no-seg.maa / Same geometry, but 10 square serial (only one wire) with central feed / 9.7 dBi z= 37.5-j52 SWR= 3.2

wifi26_10_squares_serial_lowfeed_no-seg.maa / The same, feed in the lower part / 12.4 dBi z= 125-j289 SWR = 16.2

wifi26_5_squares_half_no-seg.maa / Only one half of the antenna / 12.5 dBi z= 36-j1198 SWR = 794
Il est normal que cette demi antenne ait un gain moitié de l'original (15-12= 3 dB de moins). Il semble anormal de ne pas trouver une impédance double de l'original, constitué de deux demi antennes en parallèle, soit 23*2 = 46 ohms, alors que l'impédance réelle passe à 37 ohms, mais cela est du au couplage réciproque.

wifi26_2_squares_parallel_no-seg.maa / Same as original but with only 2 squares / 10.9 dBi z= 16.3-j1139

wifi26_2_squares_ serial_centerfeed_no-seg.maa / Same as original but with only 2 squares, serial, feed center / 10.6 dBi z= 222-j251 SWR = 10.2

Analyse vectorielle

Pour lever le doute passage à l’analyseur de réseau vectoriel HP 8753 avec Jean-François F1LVO, le scalaire n'étant pas suffisant pour mesurer les impédances. Cela amène de nouvelles questions sans en fournir de réponses.
La mesure est faire après calibration soignée pour bien caler la phase en bout du petit coaxial de liaison et éliminer son influence.
Tout se complique car le résultat n’est absolument pas celui attendu !

La mesure donne au centre de la bande (marqueur) une impédance de 47 -j105 ohms, ce qui diffère du résultat de la simulation 40.7 +j51 ohms.

L'impédance réelle est très proche de celle de la simulation, mais la réactance est selfique au lieu d'être capacitive !
Le ROS au mesuré au vectoriel est de presque 7 (retour -2.5 dB) est de celui de la simulation de 3.

En modifiant près légèrement les paramètres, la simulation donne très exactement les résultats de la mesure !
Le diamètre du fil est changé de 0.375 à 0.331 mm.
Un condensateur de 0.415 pF est inséré au point d’attaque pour faire tourner l'impédance imaginaire de capacitive à selfique. Cela correspond à la capacité du paquet de soudure en extrémité du coaxial.
Le gain passe alors à 10.12 dBi et le ROS, l’impédance réelle et imaginaire correspondent parfaitement à la mesure vectorielle ci-dessus.

Les limites de la modélisation

La manipulation des valeurs de la simulation nous montre les limites de ces outils. Une petite variation d’un des paramètres influe fortement sur les résultats.
Par exemple, pour ne prendre que valeur de l’impédance réelle (car tout bouge) :
Une petite variation du diamètre du fil modifie la valeur de l’impédance réelle dans l’autre sens d’à peu près le même rapport.
Une petite variation de l’épaisseur de la plaque modifie la valeur de l’impédance réelle dans le même sens d’à peu près le même rapport.
Il n’est pas facile de déterminer vraiment cette épaisseur, en effet l’épaisseur physique de la plaque et facile à mesurer, mais le fil ne plaque pas au centre. Quelle valeur choisir, l’épaisseur plus le diamètre du fil, soit 2.77 mm, ce qui correspondrait à un fil parfaitement plaqué, ou nettement plus ?
Autre incertitude sur les bords, le bout de 2 mm n’est pas à angle droit mais arrondi, et quelle longueur prendre, l’épaisseur de la plaque ou la distance des axes des deux couches, ce qui rajoute le diamètre ?
La permittivité de la plaque support n’est pas prise en compte.
La capacité de la soudure de jonction est très critique sur la partie imaginaire, elle avait été ignorée lors des premiers simulations.
...

Toutes les valeurs rentrées sont sujettes à une discussion quand à leur pertinence.
La modélisation ne sera qu’une approximation, seule la mesure fine nous donnera les caractéristiques réelles.

Conclusion : Essais de l'antenne en situation

Lors d’un premier examen rapide, j’ai pensé que cette antenne était très mauvaise, mais en la simulant et en poussant les tests, j’ai changé d’avis.
Les mesures m'avaient laissé perplexe, mais j'ai testé cette antenne en vrai sur le camping-car, avec l'interface d’un watt.
La surprise a été grande. Avec les portables seuls, la portée pour se connecter à une box n'excède pas 20 mètres. Ce matériel permet d’augmenter la portée à quelques centaines de mètres, ce qui change tout !

Depuis le camping-car, je capte en stationnement près d'habitations quelques liaisons, à niveau très faibles. Avec l'antenne et le boîtier d’un watt, cela passe à une vingtaine de liaisons à fort niveaux. Pour rester dans la légalité sans casser les clefs des réseaux cryptés, il faut considérer qu'il y a moins d'une liaison libre sur dix.
Dès qu'il y a des maisons à quelques centaines de mètres, je dispose de beaucoup de liaisons, ce qui assure quelques liaisons ouvertes à peu près partout, sauf évidemment en rase campagne. Voici un petit exemple en situation, garé en ville, au bord d’un canal en Hollande.
A gauche, test sur le PC portable seul ; neuf signaux très faibles, tous cryptés, connexion légale impossible.
A droite, copié-collé du début de la liste, avec l'antenne et 1 W ; sur les premiers vingt et un signaux forts, quatre sont connectables.

Le bilan d’exploitation est donc très positif.

Remarque

Il subsiste un problème gênant. L’outil basique de Windows, qui ne prévoit pas de réception à grand gain, ne montre que la première vingtaine de liaisons, alors qu’il peut y en avoir beaucoup plus à fort niveau.
Il arrive, les jours peu chanceux, que dans la première vingtaine, aucune ne soit ouverte et que la seule disponible ne soit qu’en position 30 ou 50.
En France, j’arrive souvent à trouver une SFR (ou Fon) ou Free publiques, que je peux connecter grâce à mes identifiants des deux opérateurs (il ne se trouve que très rarement des Wanadoo publiques).
A l’étranger c’est très différent, ces connections partagées n’existent pas, les seuls réseaux ouverts sont ceux des rares imprudents qui n’ont pas su protéger leur connexion.
La connexion n’est alors possible qu’en utilisant des outils plus élaborés que ceux de la version basique.

La panne

Près 15 jours d’utilisation satisfaisante, panne totale du système. J’ai remplacé l’antenne par la petite fournie d’origine avec le kit 1 W, et cela fonctionnait.
Après investigations, il s’est avéré que le fait de rouler ce coaxial assez rigide pour le ranger, créait trop de contraintes et la partie centrale s’était rétractée dans la prise SMA femelle, ne faisant plus contact. J’ai réparé provisoirement, en attendant de changer de stratégie de retour au labo :
Coaxial raccourci au ras de l’antenne, interface 1 W reliée au plus court dans une boite étanche et long câble USB rallongé à 4 mètres, en doublant les fils d’alimentation qui tirent plus de 500 mA sous 5 W, pour une émission de 1 W.

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