Antenne

La Regola Più Importante: La Posizione

La posizione conta più dell'hardware. Una buona installazione, in quota e con ottima visibilità, abbinata a un'antenna adeguata supera sempre un dispositivo più potente ma posizionato male.

Spostare un Repeater da 2 metri di altezza alla quota tipica di un tetto (circa 20 metri) estende l'orizzonte radio in modo sbalorditivo. Se parliamo con un terminale portatile tenuto in mano, la distanza teorica di visibilità passa da circa 9 km a oltre 20 km. Portare il ripetitore in cima a una collina o su un edificio molto alto (50 metri) può spingere la visibilità teorica ben oltre i 30 km. Questo salto di quota produce quasi sempre miglioramenti nettamente superiori a quelli ottenibili cambiando tipo di antenna o aumentando la potenza di trasmissione.

Guadagno, Diagramma e Polarizzazione

È importante ricordare che un'antenna non "amplifica" il segnale creandolo dal nulla, ma si limita a concentrare l'energia disponibile, sottraendola alle direzioni meno utili per inviarla dove serve di più. Questo guadagno si misura in dBi, confrontandolo con un'ipotetica antenna isotropica (0 dBi) che irradia perfettamente in tutte le direzioni come una sfera. In termini pratici, aggiungere 3 dBi di guadagno equivale a raddoppiare la potenza del trasmettitore nella direzione principale, mentre 6 dBi la quadruplicano.

Come viene distribuita questa energia nello spazio è descritto dal diagramma di radiazione. Per le classiche antenne verticali omnidirezionali, il parametro critico è l'apertura verticale, ovvero l'angolo entro cui viene irradiata la maggior parte della potenza. Un'antenna base da 2 dBi copre un angolo di circa 75°, mentre salendo a 5 dBi l'angolo si stringe a 35°.

Questo spiega un limite fondamentale delle antenne ad alto guadagno (come le collineari da 9 dBi): il loro lobo verticale è di appena 12°. Se il tuo nodo si trova in una vallata molto più in basso rispetto al Repeater , rischi di finire "sotto" al raggio utile dell'antenna. Per i ripetitori situati in posizioni molto elevate che devono coprire nodi a quote variabili, un'antenna da 3 o 5 dBi rappresenta quasi sempre la scelta più efficace e flessibile.

Un altro aspetto cruciale è la polarizzazione. Nelle reti LoRa si usa universalmente la polarizzazione verticale. È essenziale che l'antenna trasmittente e quella ricevente siano allineate: un disallineamento di 90 gradi (ad esempio, un'antenna dritta e l'altra sdraiata) provoca una perdita di segnale di circa 20 dB. In termini pratici, significa ridurre la potenza del segnale a un centesimo. Quando usi un dispositivo portatile, cerca sempre di tenerlo in verticale.

Calcolo dell'ERP

L'ERP (Effective Radiated Power) è la potenza effettivamente irradiata nella direzione principale ed è il valore usato dalla normativa italiana per i limiti legali. Si calcola sommando la potenza del trasmettitore al guadagno dell'antenna in dBd, sottraendo le perdite del cavo (ricorda: dBi = dBd + 2.15). Ad esempio, con un trasmettitore impostato a 22 dBm , un'antenna da 8 dBi e circa 0.85 dB di perdita tra cavo e connettori, ottieni un EIRP di 29.15 dBm . Convertendo in ERP (sottraendo 2.15), arrivi esattamente a 27 dBm ERP (500 mW), che è il limite legale sulla banda 869.4–869.65 MHz.

Tabella di Riepilogo: Tipi di Antenna e Diagramma di Radiazione

Tipologie di Antenne per 868 MHz

Esistono diverse famiglie di antenne, ognuna adatta a scenari specifici:

Lo stilo (Whip) è la classica antenna a "bastoncino" inclusa in quasi tutti i moduli commerciali. Funziona bene per dispositivi portatili perché è compatta ed economica, ma offre un guadagno molto basso (circa 0 dBi) e necessita del circuito del dispositivo stesso per fare da piano di massa.

Il dipolo, leggermente più ingombrante, è composto da due elementi in controfase. Ha il grande vantaggio di essere bilanciato e di non richiedere un piano di massa esterno. È perfetto per nodi fissi all'aperto o piccole installazioni su palo, con un guadagno tipico di 2.15 dBi.

Per i Repeater fissi si usano solitamente le antenne collineari. Si tratta essenzialmente di più dipoli impilati uno sull'altro dentro un tubo in vetroresina. Offrono un ottimo guadagno (da 3 a 9 dBi) schiacciando il segnale verso l'orizzonte. Sono ideali per coprire aree molto ampie, ma diventano ingombranti e, se il guadagno è troppo alto, rischiano di non coprire bene le zone immediatamente sottostanti.

Infine ci sono le antenne direttive, come le Yagi o le Patch. Queste concentrano tutto il segnale in una singola direzione, raggiungendo guadagni elevatissimi (anche oltre i 15 dBi). Si usano esclusivamente per creare collegamenti punto-a-punto tra due posizioni fisse. Ricorda che un'antenna direttiva è inutile per creare una rete mesh locale, a meno che il nodo non sia dotato di una seconda radio con antenna omnidirezionale per ridistribuire il segnale nell'area circostante.

Connettori: Attenzione a SMA e RP-SMA

I moduli LoRa e le antenne utilizzano connettori che sembrano identici ma sono incompatibili tra loro. L'antenna LoRa standard usa un connettore SMA maschio (che ha un pin centrale, simile a un piccolo ago). Le antenne Wi-Fi usano invece il formato RP-SMA maschio, che ha un foro centrale. Molti moduli diffusi (come Heltec o RAK) montano un connettore SMA femmina, che richiede un'antenna SMA maschio. Controlla sempre bene le specifiche prima di acquistare.

L'importanza dei Cavi Coassiali

Se decidi di installare un'antenna sul tetto, la scelta del cavo è fondamentale. Le frequenze intorno agli 868 MHz subiscono forti attenuazioni nei cavi di scarsa qualità.

Per distanze brevissime si usano cavetti sottili come l'RG-174 (circa 0.5 dB persi per ogni metro), ma sono sconsigliati per tratte più lunghe di pochi centimetri. Il classico RG-58 va bene fino a due metri. Per vere installazioni fisse, ti consigliamo caldamente cavi a bassa perdita come LMR-200 o H-155. Se devi superare i 5 metri di tratta, passa a cavi ancora più performanti come l'LMR-400, altrimenti le perdite del cavo annulleranno completamente i vantaggi della tua antenna da tetto.

Consigli Pratici per LoRaSardegna

Se stai usando un nodo portatile (Companion), la cosa migliore che puoi fare è tenere il dispositivo il più in alto possibile, staccato dal corpo, poiché noi stessi assorbiamo gran parte del segnale. Uno stilo base va benissimo e rimarrai ampiamente entro i limiti di potenza legale.

Se stai installando un Repeater fisso, cerca il punto più alto e libero da ostacoli a tua disposizione: tetti, campanili, tralicci. Un'antenna collineare da 3 o 5 dBi, installata su un palo e collegata con un cavo LMR-200 il più corto possibile, è la configurazione definitiva per la Sardegna. Assicurati che l'antenna sia perfettamente verticale.

Per Approfondire

• Fondamenti Radio: propagazione e ostacoli naturali
• Frequenze e Parametri Radio: SF, BW, CR e i preset da usare
• Normativa: regole su ERP e duty cycle in Italia

Appendice Tecnica: Impedenza e VSWR

Tutti i componenti del sistema radio (modulo LoRa, cavi, connettori e antenna) devono avere la stessa impedenza caratteristica, che per questo tipo di apparati è lo standard di 50 Ω. Se i componenti hanno impedenze diverse, parte del segnale rimbalza indietro verso il trasmettitore invece di essere irradiata.

Questa potenza riflessa si misura comunemente con il VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) o con il parametro S11. Un VSWR di 1:1 indica un adattamento perfetto e puramente teorico. Nella pratica, un'antenna eccellente avrà un VSWR inferiore a 1.5:1. Fino a 2:1 l'antenna è perfettamente utilizzabile (perdi solo l'11% della potenza), ma oltre 3:1 la perdita inizia a diventare problematica e a lungo andare potrebbe danneggiare il chip radio. Se possiedi un analizzatore economico come il NanoVNA, potrai vedere questo valore direttamente su grafico.

Quando leggi i test di un'antenna, cerca sempre la sua frequenza di risonanza, ovvero il punto in cui il grafico del VSWR scende al valore minimo. Un'ottima antenna per l'Italia avrà questo "picco verso il basso" centrato in modo pulito sulla banda 863–870 MHz. Molte antenne economiche dichiarate per gli 868 MHz in realtà risuonano in modo ottimale su frequenze ben diverse, offrendo prestazioni deludenti nella banda che ci interessa.

Inoltre, alcune antenne (come i normali stili) richiedono un piano di massa per funzionare correttamente. Sul T-Beam o sull'Heltec, la scheda del dispositivo fa da piano di massa. Se allunghi l'antenna con un cavo senza prevedere una base metallica all'estremità, le prestazioni crolleranno. Al contrario, antenne come i dipoli o le collineari sono "ungrounded" e possono essere montate su pali senza bisogno di alcun piano di massa.