MESHTASTIC - Jak vybrat anténu

UPOZORNĚNÍ : Texty na tomto blogu jsou psány srozumitelně pro laiky a mohou obsahovat zjednodušení a nepřesnosti, které nemohou vyhovovat profesionálním standardům. Profesionálové tak mohou mít k obsahu výhrady, což je v pořádku. Přesto věřím, že i tyto informace mohou pomoci začátečníkům lépe pochopit Meshtastic a vyhnout se chybám, které jsem sám udělal. Údaje o zisku uvedených antén nemusí neodpovídat teoretickým poznatkům a fyzikálním limitům vyplývajícím z jejich technického provedení. Na tuto skutečnost je třeba důrazně upozornit ještě předtím, než začnete studovat informace v následujícím textu!

K problematice antén zde přistupuji z pohledu uživatele nebo zájemce o Meshtastic zařízení. Vycházím z toho, co si může každý doma s minimem prostředků připravit či experimentálně ověřit sám – bez nutnosti hlubokých znalostí problematiky antén a bez drahého vybavení. Hodnoty nebo informace, které mohou být v rozporu s teorií či odbornými poznatky, jsou v textu označeny žlutým podbarvením a hvězdičkami (například 8dBi**).

To, že anténa řeší mnoho problémů se spolehlivostí komunikace v síti, jsem několikrát zmiňoval. Vyplynulo to z experimentů, které jsem musel provést, abych byl schopen sestavit jeden hlavní uzel, který pokrývá provoz po celém bytě a současně funguje mimo dům a aktivně přispívá při komunikaci s okolními uzly v sousedství (cca 3 km max. v členitém terénu). Jelikož se jedná o stacionární venkovní uzel s omezeným přístupem (ale o to lépe situovaný), mohu pouze odhadovat, že mnou na koleně vyrobená kolineární anténa má zisk někde mezi 6–8 dBi** (má délku 110 cm!). V Brně je používána na uzlu ZR10, na kterém „jede“ i dále v textu několikrát zmiňovaná služba „ping“.

 

Z důvodu, že při experimentech jsem se nacházel blízko stavům zuřivosti, protože jsem postrádal cokoli, co by mi pomohlo se zorientovat a zjistit příčiny problémů, začal jsem přemýšlet, jak takové situace řešit (viz. základní řešení problémů). S postupem času jsem dospěl k tomu, že mimo jiné, potřebuji pohodlně a rychle zjistit úroveň přijímaného signálu (RSSI a SNR lze zjistit přímo z Meshtastic zařízení), znát nutně i základní parametry používaných antén. Údaje u antén uváděné na webshopech jsou naprosto zavádějící a nedostatečné. Proto jsem si pořídil nanoVNA, kterým dokážete zjistit nejdůležitější parametry antény (tzn. ihned vidíte, jak anténa ladí). Funkčnost a návod k použití nanoVNA nebudu popisovat, rád se ale podělím o "tahák", který jsem si udělal pro sebe a může pomoci všem podobným laikům, jako jsem já.

Základní pravidlo zní: potřebujete vhodnou anténu s dostatečným ziskem, aby zajistila dostatečně kvalitní signál. Základní kontrola úrovně signálu je pro každého naprosto snadná. Na zařízení, které běží alespoň 15 minut, vyhledejte v seznamu zařízení ta, u kterých vidíte údaje SNR/RSSI.

Vybereme vhodné antény, potřebujeme zajistit signál od okolních uzlů alespoň:

• RSSI větší jak -115 dBm (naprosté minimum) 
• SNR vyšší než -7 dB (naprosté minimum)

Co je to RSSI/SNR

Údaj SNR (Signal to Noise Ratio) indikuje, jak srozumitelný signál máte. Číslo RSSI (Received Signal Strength Indicator) ukazuje sílu signálu. V češtině SNR znamená odstup signálu od šumu – představte si hlučnou křižovatku a vedle vás někdo stojí a šepotá, na hranici slyšitelnosti. Budete se cítit jako vaše zařízení, které sotva rozeznává, jaká zpráva přichází. RSSI údaj vám v takové situaci indikuje, jaká hlučnost (absolutní hodnota intenzity okolního signálu) je v okolí. SNR bývá obvykle v rozmezí od -15 dB (téměř nejde zprávy rozeznat) až do běžných +8 dB (velmi dobré podmínky). RSSI pravděpodobně budete mít od -125 dBm (pro Meshtastic to znamená rádiové ticho) až do běžných -40 dBm (velmi dobrá úroveň signálu). Anténa v tomto kontextu hraje velmi důležitou roli – svou citlivostí musí zajistit příjem dostatečně kvalitního signálu (vyžít RSSI) a také přispívat k zajištění dostatečného odstupu signálu od šumu (SNR). Případně směrovou anténou lze eliminovat (potlačit) šum/rušení z určitého směru – anténu v takovém případě jednoduše natočíte směrem opačným (pokud to jde).

Když budete zkoušet posílat zprávy u stolu na zařízení, co je hned vedle, uvidíte blízké hodnoty RSSI -46 dBm a SNR +6 dB. Oproti tomu u nejbližšího uzlu, vzdáleného 2 km, který je kvalitou signálu v pásmu spolehlivé komunikace, budou hodnoty blízko RSSI -107 dBm a SNR +2 dB. Tyto hodnoty zde uvádím pouze pro referenci – v praxi uvidíte výrazně větší rozptyl obou hodnot!

Vybereme-li antény s vyšším ziskem, dosáhneme vyššího RSSI. Pamatujte, že zisk antény v dBi má logaritmické proporce. Zisk antény lepší o 4 dBi (Gizont) znamená, že anténa dodává vašemu zařízení asi 2.5x silnější signál. Zisk 10 dBi (magnetka) znamená očekávanou 10x vyšší úroveň signálu, 12 dBi (Yagi) nikoliv 12, ale rovnou 16x lepší signál! Proste pamatujte: každé dBi, dobré dBi. Pamatujte ale naopak, že každý konektor na kabelu k anteně, každý metr koaxiálního kabelu k anténě, každé ostré ohnutí kabelu způsobuje útlum signálu. Snadno se stane, že máte na střeše nebo za oknem anténu +4 dBi, a veškerý zisk se promrhá útlumem signálu vznikajícím na vedení. Nejlepší konektor či redukce je žádný konektor, nejlepší kabel žádný nebo pouze ten nejkratší kabel. Cokoliv po cestě od antény k zařízení "žere neskutečně signál". No a kdo protáhne koaxiální kabel (průměr 5 mm a víc) oknem ven a to okno zavře, ten si zaslouží pouze a jen rádiové peklo! Pamatujte na to!

POZNÁMKA: Pochopit vztah mezi SNR/RSSI usnadní popis situace: Stojíte o půlnoci na zmíněné křižovatce, kde už není žádný provoz. RSSI (úroveň signálu) si představte na minimu (-115 dBm). Vedle vás kamarád tichým hlasem mluví, na hranici slyšitelnosti (SNR nízké -7 dB). Když začne mluvit hlasitě, snadno mu porozumíte (SNR bude +6 dB) a rovněž stoupne hluk (okolní signál RSSI - pouze ale o úroveň jeho hlasu). Přes den, ta samá křižovatka, za intenzivního provozu a za vysokého hluku – RSSI bude stabilně vysoké. Stejně ale potřebujete, aby kamarád mluvil dostatečně silně (SNR > -5 dB), abyste mu rozuměli. Tzn. k dostatečné síle signálu (RSSI) stejně potřebujete mít dostatečný odstup signálu od šumu (kamarádův hlas se nesmí ztrácet v okolním hluku)– aby LoRa modul ve vašem zařízení byl schopný rozkódovat přijatou zprávu.

Nejdůležitější parametry antény

Pro laiky jsou nejdůležitějšími parametry antény:

1. Zisk [dBi] - charakterizuje citlivost antény. Čím vyšší číslo, tím bude anténa lepší v místech se slabou úrovní signálu. Současně toto číslo určuje, jak účinně dokáže anténa přeměnit vysílaný signál z elektrické na elektromagnetickou energii v okolí antény. Antény běžně používané pro Meshtastic mají zisk mezi +2 dBi u nesměrové "pendrekové antény" až k hranici +20 dBi u antén s výraznou směrovou charakteristikou.  
2. Směrová charakteristika - charakterizuje ji buď graf určující, s jakou citlivostí pracuje v daném směru, nebo v případě jednoduchých případů je charakterizována pouze úhlem (odchylky od jejího přímého směru), kdy dochází k poklesu citlivosti o 3 dB (signál klesne na polovinu). Směrová charakteristika úzce souvisí se ziskem. Čím má anténa vyšší zisk, tím více je směrová. Tím, že se více dokáže soustředit do menšího prostoru, tím lépe ho dokáže "využít" (při příjmu), nebo "osvítit" (při vysílání). Pamatujte si ale – právě naznačená souvislost mezi ziskem a směrovou charakteristikou antény platí pro případ bez použití anténního zesilovače. Pro Meshtastic se anténní zesilovače nevyužívají, proto zůstaneme u takového jednoduchého vysvětlení.
3. Impedance - 50 Ω. Nenapadá mě žádná analogie, jak tuto charakteristiku nejlépe přiblížit laikovi. Pro "elektrikáře" je pochopení impedance/odporu základní mantra celé jejich profese. Nebudu dále tápit, řekneme si pouze to nejdůležitější, co si pamatovat. Pro Meshtastic budete potřebovat pouze antény s katalogovou impedancí 50 Ω (ohmů) při frekvenci 868 MHz. Pokud tato podmínka není splněna, nebo se splnění alespoň vzdáleně neblíží, bude docházet k neefektivnímu předávání elektrické energie z vysílacího obvodu do antény. Tzn. vysílací obvod není schopen anténu nakrmit (výstupní impedance vysílacího obvodu je vyšší než impedance antény), nebo naopak vysílací obvod by byl schopen krmit víc, ale anténa to stejně "nepobere" (impedance antény, tedy její "odpor" pobrat signál, je vyšší než vysílače). Proto, aby nedocházelo k tomu, že jednu komponentu tohoto vysílacího řetězce dimenzujeme zbytečně rozdílně (stoji to peníze a způsobuje to hodně problémů), snahou bývá mít výstupní impedanci vysílače shodnou s impedancí antény (tzv. impedančně přizpůsobenou). Reálná hodnota impedance antény pro Meshtastic na frekvenci 868 MHz v intervalu 30-70 Ω je akceptovatelná (zjištěná třeba pomocí nanoVNA). Jelikož impedance se mění s pracovní frekvencí, máme snahu antény ladit na frekvence, kde je využíváme. V TV technice se typicky používá impedance 75 Ω. Z toho důvodu snadno dojde k tomu, že třeba sáhnete po koaxiálním kabelu a ten bude určený pro TV (vyšší impedance). Když sáhnete do regálu, je pravděpodobnější, že tam bude ležet kabel k TV. Pamatujte na to a vyvarujte se záměny – vždy zkontrolujte, že kabel má také 50 Ω.
4. Podíl stojatých vln (SWR) indikuje schopnost antény pojmout dodanou energii ze zařízení a vyzařovat ji do prostoru. Ideální anténa má hodnotu tohoto indexu 1. Reálná anténa téměř vždy nějakou část energie, přicházející ve formě vln, nevyzáří, a část vlny, která nesla "energii" do antény, se od antény odráží a putuje zpět po kabelu do zařízení. Vznikají tak tzv. stojaté vlny na vedení. Pokud je podíl stojatých vln vysoký (tzn. významná část energie se vrací zpět do zařízení), hrozí poškození zařízení (přehřátí koncového stupně apod.), a obecně se dá říct, že si zařízení s anténou "nesedí". V našem případě (Meshtastic) to bude v drtivé většině případů znamenat sáhnout po jiné anténě. Na pracovní frekvenci je hodnota do 3.0 považována za akceptovatelnou.
5. Další užitečné věci - polarizace, typ konektoru, délka kabelu, způsob mechanického upevnění a šířka pásma (868MHz musí být uvnitř tohoto pásma). 

Parametry číslo 1 a 2 zjistíte buď na profesionálním měřicím přístroji v bezodrazové komoře, nebo je lze zjistit porovnáním antén (popis později) a následným jednoduchým experimentováním. Poslední parametry číslo 3 a 4 zjistíte právě pomocí přístroje nanoVNA.

Důležitá poznámka: Jedna a ta samá anténa funguje stejně pro MF i LF. Oba režimy pracují na stejné frekvenci a není tedy třeba různých antén.

Metodika měření a srovnávání zisku testovaných antén (doma na koleně)

Jak jsem zmínil už v úvodu, nepoužíval jsem žádný profesionální přístroj. Vše zásadní pro porovnávání jsem připravil svépomocí a můžete si to poskládat i vy doma. Výsledky experimentů, které zde uvádím, však i přesto mají nějakou vypovídací hodnotu pro uživatele Meshtastic. Vaše Meshtastic zařízení průběžně monitoruje kvalitu signálu při komunikaci s okolními uzly, a tyto hodnoty naleznete v seznamu okolních uzlů (NodeDB). Tzn. od okolních uzlů znáte úroveň přijatého signálu vyslaného vaším zařízením (smysl dává pouze u přímých spojení). Když pak připojíte lepší anténu, podle změny úrovně signálu můžete po opětovné aktualizaci NodeDB usoudit, nepřímo vyvodit, o co má druhá strana lepší/horší příjem (pozor – aktualizace NodeDB může trvat i hodiny a není to rozhodne rychlé). Jakmile zjistíte nový údaj o kvalitě signálu, rozdíl zisku antény v dBi by měl být podobný hodnotě zjištěného rozdílu úrovně RSSI na druhé straně.

POZOR: Asi bych nechtěl obhajovat to, co jsem právě uvedl před odborníky, kteří se anténami zabývají profesionálně. Určitě bych za to dostal kritiku. Přesto to ale zde uvádím, protože tato metodika mi pomohla se v anténách v první fázi řešení problémů s kvalitou signálu zorientovat a nasměrovat výběr té správné antény na základě zjištěných hodnot pro konkrétní použití, které jsem potřeboval. Stejný přístup pomůže i Vám, s minimem prostředků a bez drahého vybavení.

Pro zjišťování úrovně signálu jsem využíval informace z NodeDB u jednotlivých uzlů pouze v počátku experimentů, bylo to ale zdlouhavé. Proto jsem místo toho jsem použil tzv. „Ping“ službu, kterou zpočátku poskytovali na svých uzlech znalí uživatelé v mém blízkém okolí. Tento ypůsob je rychlejší a pohodlnější. Později se mi podařilo něco podobného implementovat přímo ve firmwaru (viz „kompilace vlastniho FW“). Přesně to samé si s trochou šikovnosti a trpělivosti můžete připravit i pro své zařízení.

Firmware si dokážete upravit sami a nainstalovat jej na „vzdálenou stranu“ (ponechanou doma na parapetu). V blízkém okolí nebo i na vzdálenějších kopcích si pak můžete z libovolného zařízení „pingnout“ domů a ihned z odpovědi zjistit, jak to doma vypadá se signálem – tedy jaký signál přichází z vaší aktuální pozice (tzn. zda je v místě, kde se právě nacházíte, dobrý/špatný/žádný signál).

Samozřejmě, pokud by tato služba získala na oblibě, můžete „pingnout“ i na zařízení jiných uživatelů, kterým nebude vadit, že jim ukousnete kousek z jejich „airtime“ :-)

Vysílací výkon

V EU je na frekvenci 868 MHz pro Meshtastic (ve skutečnosti jde o pásmo 869.400 až 869.650 MHz se středem 869.525 MHz a tedy šířkou 250 kHz) povolen maximální vysílací výkon +27 dBm ERP (Effective Radiated Power – efektivní vyzářený výkon ekvivalentní půlvlnnému dipólu). V tomto režimu je možné vysílat maximálně 10 % času. ISM pásmo je samozřejmě širší a Meshtastic lze provozovat i na jiné frekvenci než 869.525 MHz, je však nutné zkontrolovat a splnit všechny příslušné podmínky (např. mimo zmíněné pásmo je třeba dodržovat snížený povolený vysílací čas, výkon apod.).

Je naprosto samozřejmé, že se zvyšujícím se vysílacím výkonem dosáhnete spojení na větší vzdálenosti. V reálném provozu je však lepší odspodu najít optimální hodnotu, kdy při dostatečné úrovni TX dosáhnete spolehlivého spojení s okolními uzly. Vyšší výkon pak už nemá pozitivní vliv na spolehlivost – spíše naopak. Při vysílání může docházet ke kolizím s ostatními uzly, což zbytečně ruší provoz i ve větší vzdálenosti mimo váš dosah. Přesně tak, jak vzdálené uzly naopak mohou při zbytečně velkém vysílacím výkonu rušit provoz ve vašem blízkém okolí. Další důležitý aspekt je, že za určitých okolností může kombinace antény s vysokým ziskem a nastaveného maximálního vysílacího výkonu (TX) vést k překročení limitu +27 dBm ERP, čímž by docházelo k porušování pravidel pro využití  frekvenčního pásma pro ISM.

Představte si, že anténa vyzařuje (vysílá) výkonem (ERP) podle definice elektromagnetické vlny do všech směrů (zmíněný půlvlnný dipól). Hodnota +27 dBm ERP odpovídá vysílacímu výkonu 0.502 W rozptylovaného všemi směry od antény (nahoru-dolů, vlevo-vpravo, dopředu-dozadu). Směrovou anténu však veškerý tento výkon, který by se jinak šířil do všech směrů, naopak soustředíte pouze do vyzařovacího laloku vaší směrové antény. To znamená, že v této oblasti bude intenzita elektromagnetického pole vyšší (koncentrovanější), což může vést k překročení povoleného vysílacího výkonu v daném směru.  V takovém případě už existuje riziko porušení podmínek pro provoz Meshtastic zařízení na frekvenci 868.525 MHz. Výsledný ERP v určitém směru totiž už může překračovat povolený limit +27 dBm ERP (tzn. TX 21 dBm, zisk antény + 6dBi => už dosáhne stanoveného limitu +27 dBm ERP).

Jak s tím tedy naložit? Ne vždy je potřeba vysílat na plný výkon. Pokud je síť stabilní a dosah spojení dostatečný, nižší TX výkon zlepší efektivitu provozu (nižší spotřeba energie, méně rušení pro ostatní uzly). Čím vyšší zisk má anténa, tím je směrovější. To znamená, že vyzařuje i přijímá pouze z určitého směru.Vysokozisková anténa pomůže na dlouhé vzdálenosti, ale může způsobit, že se „neuslyšíte“ s jinými uzly mimo její vyzařovací lalok. 

Optimální nastavení vysílacího výkonu a zisku antény závisí na situaci:

• V městské zástavbě bývá pro mesh síť lepší širší (všesměrové) pokrytí než úzký směrový paprsek.
• Pokud chcete všesměrové pokrytí, používejte vertikální antény s nižším ziskem (např. 3–6 dBi) a  zvyšováním výkonu hledejte optimum (spolehlivost). 
• Směrové antény mohou být skvělým nástrojem pro zvýšení dosahu spojení, ale i pro potlačení rušení z nežádoucích směrů. Výsledkem je lepší signál z požadovaného směru a zároveň menší náchylnost na rušení z jiných směrů.
• Pro směrové propojení mezi dvěma vzdálenými body využijte Yagi, nebo jinou směrovou anténu. Současně ale pamatujte, že snadno dojde k situaci, kdy překročíte stanovený limit ERP pokud necháte nastavení parametru TX na maximu.

Platí zlaté pravidlo: Nastavte síť tak, aby spolehlivě fungovala s co nejnižším možným vysílacím výkonem v blízkém okolí. Ať máte alespoň direct spojení na 3 uzly a to trvale. Méně je vždy v tomto případě více.

Regulace vysílacího výkonu  - parametr TX

Maximální vysílací výkon lze regulovat pomocí LoRa parametru TX.

• Hodnota +27 dBm je maximum, které lze nastavit.
• Mnoho zařízení používaných pro Meshtastic má však maximální výkon pouze +21 dBm (například moduly s čipem SX1260).
• Pokud máte zařízení s TX výkonem pouze +21 dBm a použijete anténu s vyšším ziskem než 6 dBi, musíte být už opatrní !!

Měření zisku pomocí služby PING

Jako referenční anténu jsem použil dodávaný „pendrek“, který bývá přibalen k zařízení přímo od výrobce. Podle dokumentace má naše referenční anténa zisk +2 dBi.

Když jsem chtěl zjistit zisk nové, neznámé antény, provedl jsem vždy podobný experiment. Službu Ping mám veřejně dostupnou na svém hlavním uzlu (Brno-LF, ZR10). Ve vhodné vzdálenosti (50 až 700 m) jsem provedl několik měření (minimálně 10) úrovně signálu s použitím referenční antény (pendrek). Ihned poté, na tom samém místě, jsem provedl stejné měření s neznámou anténou.

Rozdíl zprůměrovaných hodnot odečtených z pendreku a neznámé antény jsem považoval za rozdíl jejich zisku. Tzn. pokud úroveň signálu při použití pendreku byla průměrně -48 dBm a s neznámou anténou -43 dBm, odhadoval jsem, že neznámá anténa může mít zisk okolo +7 dBi** (2 dBi zisk pendreku + 5 dBi** naměřené zlepšení).

Hypotéza na facku, ale oponujme: údaje nám poskytuje přímo LoRa (rádiový modul ve vašem zařízení), a jak je „vidí“, takové jsou. Žádné teoretické výpočty nám stejně nepomohou, pokud to LoRa vyhodnotí jinak.

Alespoň v mém případě mě tato orientační pseudo-metodika nikdy nezklamala. Potvrzením její využitelnosti je i skutečnost, že velmi podobnou hodnotu rozdílu výstupního výkonu vysílače (nastavení položky Tx) lze pozorovat i ve změně úrovně přijímaného signálu na přijímací straně.

Pokud například snížím výstupní výkon vysílače z 21 dBm na 6 dBm, na přijímací straně budu pozorovat snížení úrovně signálu RSSI přibližně o 15 dBm**.

Výsledky měření a další komentáře předkládám níže. Ještě jednou pro jistotu zdůrazňuji: jedná se o informativní hodnoty, nikoliv laboratorně ověřené! Zároveň je nutné konstatovat, že experimentálně zjištěné hodnoty katalogové údaje dokonce nadhodnocují :-(

Z mnoha antén, které jsem měl možnost vyzkoušet, zde uvádím pouze ty, které jsem si ponechal a používal. Kromě katalogového údaje o zisku antény uvedu i experimentálně odhadovaný zisk, který jsem zjistil pomocí komparativní metody vůči referenčnímu vzorku – katalogově uváděnému 2dBi „pendreku“.

Měření jsem prováděl „přes údolí“ na vzdálenost přibližně 700 m s přímou viditelností (při rychlosti větru jako na motorce – co nebylo přilepené páskou, mělo tendenci uletět).

Rubber LoRa Anténa - 868MHZ 5CM Antenna
Zisk antény	+2dBi (katalogový)
Impedance 868MHz	62.6 Ω
Poměr stojatých vln (SWR)	1.29
Jedná se o běžně dodávanou anténu, která bývá součástí balení s Meshtastic zařízením nebo deskou. Při měření a srovnávání antén byl přesně tento typ použit jako referenční anténa. Jde o tzv. omnidirekcionální anténu, která vyzařuje do všech směrů a je určena pro vertikální polarizaci (nastojato). Její využití v síti Meshtastic je velmi omezené – pro experimenty doma nebo v blízkosti druhého zařízení bude fungovat dobře, ale pro komunikaci s uzly vzdálenými více než 100 m už bude nevhodná a nedostatečná. Referenční měření: RSSI: -74 dBm / SNR: 6,2 dB (na vzdálenost 700 m vůči anténě +8 dBi**).

Rubber LoRa Anténa - 868MHZ 11CM Antenna

Zisk antény	+5dBi (katalogový), +6dBi** (experimentálně odhad)
Impedance 868MHz	109 Ω
Poměr stojatých vln (SWR)	4.57
Anténu lze zalomit v úhlu až 90 stupňů, což je přesně to, co někdy potřebujete například pro TDeck (s klávesnicí). Moje osobní zkušenost s touto anténou není příliš pozitivní – ze 5 kusů, které jsem měl, 4 přestaly fungovat, a to i bez zjevného mechanického poškození. Navíc je snadno zaměnitelná za anténu určenou pro Wi-Fi (2,4 GHz), což může vést k nesprávnému použití. Z některých vadných kusů, které se mi podařilo po rozebrání opravit, jsem využil "střeva" – díky malým rozměrům se anténa dá vložit dovnitř prototypové krabice, kde funguje poměrně dobře. Doporučení: Pro běžné používání nedoporučuji – a to jak kvůli nízké spolehlivosti, tak kvůli horší citlivosti a celkově špatnému přizpůsobení (impedance, SWR apod.).

Gizont Anténa flexibilní 10dBi 16.7cm 868MHz

Zisk antény	+10dBi (katalogový) +8dBi** (experimentálně odhad)
Impedance 868MHz	33.7 Ω
Poměr stojatých vln (SWR)	1.47
Tato anténa je zlatý standard – ideální pro mobilní uzel, který nosíte s sebou. Je ohebná, odolná a snese hrubší zacházení, přičemž stále nabízí dostatečný zisk. Pro každý mobilní uzel by měla být minimálním vybavením. POZNÁMKA: V průběhu času jsem koupil 2 kusy z AliExpressu a při srovnání parametrů se sousedy, kteří si stejnou anténu pořídili v ČR, jim mohu jen závidět.

XHCRF magnetická anténa 6dBi

Zisk antény	+6dBi (katalogový) +10dBi (experimentálně odhad - kapota auta)
Impedance 868MHz	59 Ω
Poměr stojatých vln (SWR)	1.21
Tato anténa je vhodná na okenní parapet nebo kapotu auta. Pokud máte zařízení zapnuté i při cestování autem, rozhodně doporučuji použít externí anténu. Experimentálně ověřeno: Rozdíl úrovně signálu uvnitř a vně auta je přibližně -4 dB. Externí anténa nejen eliminuje tento útlum, ale naopak zajistí silnější a kvalitnější signál. Důležité: Tato anténa správně funguje pouze na kovovém podkladu. Pokud ji umístíte jinam, její parametry budou významně degradovány.

12DBi LoRaWAN Helium Antenna (HUAWEI)

Zisk antény	+12 dBi (katalogový) +8 dBi** (experimentálně odhad)
Impedance 868MHz	47 Ω
Poměr stojatých vln (SWR)	1.06
Tato anténa je někdy prodávána jako součást balení (bundle) pro 3G routery HUAWEI. Kvůli své délce je méně praktická pro malá a lehká Meshtastic zařízení – při experimentech jsem měl neustále obavy, že vylomím anténní konektor na desce. Parametrově je podobná anténě Gizont, která je však praktičtější. Plastový obal lze s trochou šikovnosti sejmout – uvnitř se nachází vlastní tělo antény, které má poloviční délku. Pro TDeck, kde je potřeba zalomení, to může být zajímavá volba.  U všech svých kusů jsem plast zkrátil téměř na polovinu, čímž jsem získal kompaktnější variantu se stejnými elektrickými vlastnostmi. SEEDSTUDIO A03 (nalepovací) Zisk antény +0.8 dBi (katalogový) +4 dBi** (experimentálně odhad - závisí na natočení) Impedance 868MHz 37 Ω Poměr stojatých vln (SWR) 1.39 Tuto anténu zde uvádím jako raritu – je přibalena k zařízení, které také používám pro Meshtastic. Jedná se o Wio-SX1262 with XIAO ESP32S3, což je velmi malá deska o velikosti větší známky. V balení je dodávána anténa ve formě nálepky. Tato anténa je ideální pro kompaktní Meshtastic/IoT řešení. Při optimálním postavení vůči přijímací anténě vykazuje odhadem 4–5 dBi, při špatném postavení má však horší vlastnosti než běžný „pendrek“. Pokud stavíte stacionární IoT zařízení s Meshtastic, může být tato anténa zajímavou konstrukční alternativou.

LoRaWAN Directional Yagi Antena 9dBi

Zisk antény	+9 dBi (katalogový) +9 dBi** (experimentálně odhad)
Impedance 868MHz	72 Ω
Poměr stojatých vln (SWR)	1.56
Anténa již patří mezi směrové – proto musí být nasměrována do míst, kam chcete svou komunikaci směrovat. Nejvyššího zisku (9–12 dBi) dosáhnete přesným nasměrováním antény k protějšímu uzlu. Při odchýlení o 30 stupňů od přímého směru dochází k poklesu zisku o -3 dB. Vyžaduje však trochu úsilí na přípravu instalace, uchycení na stožár nebo nějakou okenní konzoli (trubku). Současně budete potřebovat redukci N-MALE/SMA. Pozor – při objednávání pečlivě zkontrolujte detaily obou stran redukce, snadno může dojít k omylu!

Pro využití na Meshtastic se ujistěte, že ji nainstalujete pro vertikální polarizaci (žebra shora dolů). Při nesprávné orientaci antény (horizontálně – tedy „naplocho“) můžete ztratit veškerý její zisk. Podle experimentů klidně 10–12 dBi. To by činilo instalaci antény zcela zbytečnou. Pokud si nejste jisti, že protější anténa má také horizontální polarizaci, vždy ji instalujte vertikálně („shora dolů“), protože většina antén používaných pro Meshtastic zařízení využívá vertikální polarizaci (prutové, všesměrové antény). 

Z naměřených údajů se mi jeví, že její původní účel byl pro jiné frekvenční pásmo (vyšší), je však relativně levná a může vyřešit spojení na větší vzdálenost. Případně ji lze vyzkoušet při eliminaci rušení přicházejícího z určitého směru, což klasické omni-directional antény (typicky prutové) nedokážou. Bohužel se jedná původně o anténu širokopásmovou a navržena je zřejmě pro mobilní sítě (např. 3G), které pracují na blízkých frekvencích. Snadno se tak může stát, že vstupní obvod vašeho zařízení by mohl být saturován signálem z mobilní sítě. Buďte si toho vědomi, nedejte se však odradit od experimentování! Případně doplňte anténu o "band pass filtr" s frekvencí 868 MHz.

POZOR: Při použití této antény s tak vysokým ziskem už při vyšších hodnotách vysílacího výkonu (TX) bude docházet k porušení podmínek využití pásma ISM (tam, kde Meshtastic provozujete). Buďte si toho vědomi a respektujte toto omezení, prosím!

LoRaWAN Directional Yagi Antena 20dBi

Zisk antény	+20 dBi (katalogový) +16 dBi** (pouze odhad)
Impedance 868MHz	44 Ω
Poměr stojatých vln (SWR)	1.28
Pro tento konkrétní typ platí to samé co pro předchozí Yagi anténu. Je ale 3x delší, rozhodně pouze pro stacionární uzel a vyžaduje velmi pevné uchycení. Anténa je ještě více směrová (je ji třeba velmi přesně nasměrovat) a použijte ji tam, kde už se žádná jiná anténa "nechytá". Upozorňuji, že i pro tuto anténu budete potřebovat redukci N-MALE/SMA.

POLARIZACE ANTÉNY

Neméně důležité je znát pojem polarizace a její souvislost s používanou anténou. Pro nás laiky se stačí řídit jednoduchým pravidlem. V případě Meshtastic sítě a naprosté většiny používaných antén se bavíme o polarizaci vertikální (shora dolů nebo naopak). Je to dáno tím, že většina Meshtastic zařízení má anténu "nastojato". Horizontální polarizaci můžete použít na dálkové spojení, třeba s využitím "yagi-proti-yagi naplocho". Často se využívá i kruhová polarizace (helical) – takovou polarizaci ale využijete až třeba na experimenty s TinyGS.

PAMATUJTE TEDY: Antény musíte mít vždy správně orientované podle polarizace. V opačném případě dochází k degradaci síly a kvality signálu (v takové míře, že pokud máte Gizont anténu špatně orientovanou, je to to samé, jako používat "pendrek").

dBi** – pseudo jednotka zisku antény, která nemusí respektovat katalogovou hodnotu zisku antény, natož teoretickou hodnotu vyplývající z její konstrukce. Tímto způsobem jsou v textu označovány hodnoty, které byly získány experimentálně – konkrétně odečtem z údajů prezentovaných přímo LoRa/Meshtastic zařízením. Cílem zavedení této konvence je zamezit odborným rozporům/nesmyslům a současně zachytit skutečnost, jak bylo při experimentech zlepšení/zhoršení vnímáno přímo samotným použitým zařízením.