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AULA 4 - ANTENAS E ACESSÓRIOS

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Sessão de Aprendizagem 3
Antenas e Acessórios
Prof Jordan 
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Um Link Rádio
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Meio de Transmissão
Os meios de transmissão podem ser classificados em:
Guiado - Ex: par trançado, cabo coaxial, fibra óptica, etc;
Não guiado - Ex: transmissão pelo espaço (é comum utilizar a expressão transmissão pelo ar mas isto não é correto)
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Definição de Decibel - dB
Relação entre duas potências
GdB = ganho, em decibeis
Pin = potência de entrada
Pout = potência de saída
dB é uma media relacional
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Exercício 1
Tenho um amplificador que amplifica o sinal de entrada em 100 vezes, ou seja se na entrada a potência for de 1 Watt na saída a potência será 100 Watts. Qual o ganho do amplificador?
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Valores absolutos de potência
dBW e dBm
Valor absoluto de potência em relação a 1 Watt;
Exemplo: 1000 W são 30 dBW
Existe também o dBm que é em relação a 1 mili Watt
Exemplo: 100 mW são 20 dBm
Exemplo: +30 dBm = 0 dBW e 0 dBm = -30 dBW
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Mili Watts para dBm
Para calcular o valor em mili watts a partir de dBm
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Exercício 2
Calcule a potência em Watts de uma potência de 30 dBm.
Calcule a potência em mili Watts para uma potência de -20 dBm
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Cálculo em Watts
Cálculo em dB
20 dBm-3-3-3+12=23 dBm
Pot=200 mW
200mW
20dBm
50mW
14dBm
25mW
11dBm
17dBm
23dBm
12,5mW
100mW
-3dB
-3dB
-3dB
-3dB
+12dB
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Exercício 3
Utilizando a figura do slide anterior faça dois diagramas de nível mostrando a intensidade de sinal do transmissor até o receptor utilizando:
Escala linear
Escala em dB
Linear mW
dB
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Exercício 4
Considere um amplificador com potência de entrada de 2 Watt e potência de saída de 25 Watts. Determine:
Quantas vezes vai ser aumentada a potência?
Quantos dB de ganho?
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Perda em dB
Cálculo de perda
Exercício: se a potência de entrada é de 10 mW e a potência de saída é de 5 mW qual a perda?
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Exercício 5
Considere um sistema com potência de entrada de 4 mW. O sinal passa por um cabo com perda de 12 dB. O sinal passa por um amplificador de ganho de 35 dB. Em seguida o sinal passa por uma linha de transmissão com perda de 10 dB. Calcule em dB o ganho ou perda no sistema. Calcule a potência na saída. 
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Exercício 6
Para o exercício anterior determine a potência em dBm e dBW na entrada e saída do sistema
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O que é uma antena?
Conversão de onda guiada em não guiada e vice versa;
Olho eletrônico;
Transdutor entre meio guiado e não guiado;
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Definição
Atende os dois sentidos
Onda Guiada
Transição
Onda no Espaço
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Princípios de Antenas
Antena é um condutor elétrico ou conjunto de condutores usados para:
Transmitir
Receber
Diagrama de irradiação
Representação gráfica das propriedades de irradiação da antena
Mostrado em duas dimensões (vertical e horizontal)
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Visão do Elemento Antena
Uma forma muito simplista de entender uma antena é fazer uma comparação com uma lanterna
A lanterna faz com que o foco de luz seja direcionado para uma certa local
Quanto maior o foco maior o ganho
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Visão de uma Antena
Direção
De
Maior
Intensidade
Representação na forma
retangular
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Planos de Análise
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Exercício 7
Como ficaria a representação do digrama de luminosidade da lanterna nos dois planos e em três planos? Utilize coordenadas cartesianas e cilíndricas. Mostre a relação entre as duas formas de representação.
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Fontes Básicas
Isotrópica – referência
Um exemplo de uma fonte isotrópica seria o sol
Fonte omnidirecional
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Uma Fonte Isotrópica
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Antena Omnidirecional
Irradia igualmente em todas as direções;
Útil para “iluminar” de forma simétrica um ambiente num certo plano;
Muito utilizada para atender locais grandes com distribuição uniforme de sinal em todas as direções;
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Exercício 8
Mostre que uma fonte isotrópica que irradia igualmente em todas as direções (definida considerando um espaço em três dimensões) pode ser representada graficamente por uma irradiação omnidirecional em qualquer plano que passe pelo centro da fonte isotrópica.
Defina dBi.
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Tipos de Antenas
Direcional
Setorial
Ominidirecional em um plano
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Dipolo /2 e Monopolo /4
=C/f
C - velocidade da luz - 3x108
f - freqüência
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Exercício 9 
Calcular o tamanho de uma antena dipolo de meia onda para as freqüências de 2,4 GHz e 5,5 GHz;
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Visualização do Diagrama de Radiação do Dipolo
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A
B
Posição da antena
A
B
Plano vertical – Omnidirectional
Plano horizontal – Directional
W
Diagrama de irradiação
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Diretividade – Exemplo de diagrama de irradiação
Diagrama de irradiação de uma Antena de 8,5 dBi
 Potência neste ponto caiu 3 dB
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Ganho
Medida da diretividade;
Valor que indica concentração de energia em uma certa direção;
Relativo a antena isotrópica (dBi) ou ao dipolo de meia onda (dBd)
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Ganho versus Abertura Efetiva
G = ganho da antena
Ae = abertura efetiva ou área efetiva
f = freqüência de operação
c = velocidade da luz (3 x 108 m/s)
 = comprimento de onda
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Para uma parabólica refletiva com um diâmetro de 2 m, operando em 12 GHz qual é a área efetiva e o ganho? Temos uma área de A=πr2=π e uma área efetiva de Ae=0.56π. 
Calcule o comprimento de onda.
	
Ganho em escala linear e em dBi
S
Exercício 10
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Construção de antena para WLAN
Antena com lata de batata
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Antenas – Características
Ganho em dBi ou dBd
Impedância
Perda de retorno 
Tipo de Conector
N fêmea – antena
N macho – cabo coaxial
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Pigtail
Cabo para ligar uma placa wireless a uma antena;
Em geral coaxial fino;
Vários tipos;
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Exercício 11
Projete um monopolo vertical para operar em uma freqüência de 2,4 GHz.
Faça um desenho mostrando este tipo de antena.
Refazer o projeto para uma antena de 2,4 MHz.
Qual a relação entre o comprimento de onda e o tamanho de uma antena?
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Exercício 12
Faça uma pesquisa na Internet e encontre projetos de antenas para as faixas de 2,4GHz e 5,8GHz.
Explique o que significa banda ISM e para qual fim esta faixa de freqüência foi identificada no espectro de radiofreqüência.
Nesta sessão será tratada a questão de radiofreqüência tratando de fenômenos e componentes. Para entrar no mundo das comunicações sem fio é indispensável entender como se o processo de transformação de sinais guiados em não guiados e os efeitos sofridos pelo sinal no processo de propagação.
Para iniciar o estudo de como se processa a interligação entre dois pontos através de ondas eletromagnética, ou mais simplesmente falando através de ondas de rádio, é importante identificar todos os elementos envolvidos. A figura mostra estes elementos principais e o adequado dimensionamento de todos eles é denominado de Link Budget que significa balanço de potência do sistema. Nesta figura o Transmissor (TX) injeta o sinal na linha de transmissão com uma certa potência. Este sinal é conduzido pela linha de transmissão até a antena e sofre uma certa atenuação. A antena tem um papel muito importante de direcionar esta onda guiada em onda não guiada mas que tem um direcionamento no espaço. A uma certa distância a antena de recepção capta a onda transmitida que passou pela atmosfera e sofreu uma forte atenuação e converte em uma onda guiada novamente. As antenas podem ser vistas como transdutores. O sinal recebido é conduzido ao receptor que deve ser capaz de receber o sinal com uma potência baixa, ou seja tem que ter uma sensibilidade.
As características e qualidade da transmissão de dados são determinadas pelas características do meio de transmissão e do próprio sinal. Nos meios guiados as características do meio determinam a qualidade de transmissão impondo restrições ao sinal como por exemplo filtragem de componentes harmônicas de ordens mais altas provocando distorção no sinal.
Nos meios não guiados as características são determinadas pela faixa de freqüência ocupada pelo sinal, pela potência de transmissão e pelo ruído presente no sistema. Utilizamos a expressão de Shannon para entender a relação entre estas três grandezas. Para realizar o processo de transmissão contamos com as
antenas tanto na transmissão quanto na recepção. As antenas promovem uma concentração de sinal em uma certa direção, tendo efeito tanto na transmissão quanto na recepção. Pelas suas características de alterar a cobertura este dispositivo merece uma atenção especial.
Neste momento é importante o aluno tomar contato com a definição de Decibel. Esta unidade é largamente utilizada em sistemas de transmissão. Todas as especificações de sistemas rádio utilizam esta unidade em várias formas. A utilização de uma escala logarítmica é conveniente para tratar dois valores que possuem uma grande diferença de valores entre si.
Por exemplo, tente plotar no mesmo gráfico os valores 100 e 10000. Seria bastante difícil em função da diferença dos valores. Usando dB este problema é reduzido uma vez que representam respectivamente 20dB e 40dB.
Em sistemas de transmissão o sinal sofre grandes variações de intensidade em função da distância provocando grande variações de atenuação.
Para contemplar esta grande faixa de valores utiliza-se o dB.
Usando uma escala logarítmica em vez de multiplicação utilizamos a soma como se sabe das propriedades do logaritmo.
Esta unidade é largamente utilizada em sistemas de comunicação.
Não existe dificuldade alguma na obtenção do valor em dB, bastando entender que se trata de um valor que espelha a relação entre duas potências. Por exemplo: se a potência de saída de um amplificador 100 vezes a potência da entrada temos um ganho de 20 dB.
Podemos utilizar o dB para expressar um valor absoluto de potência utilizando como potência de referência um valor conhecido. No caso de dBW este valor conhecido de referência é 1 Watt e no caso de dBm este valor conhecido de referência é 1 mili Watt ou 1 mW. A unidade mais usada em sistemas de comunicação é dBm par representar potências absolutas.
Para converter de dBm para mili Watt basta utilizar a mesma expressão e isolar a potência em mili Watt a ser determinada. Não se deve esquecer de multiplicar por 1 mili Watt.
Para converter de dBm para mili Watt basta utilizar a mesma expressão e isolar a potência em mili Watt a ser determinada.
Este exemplo mostra um sistema de transmissão com a indicação de todos os níveis de potência nos diversos pontos, bem como as atenuações sofridas pelo sinal nos conectores e cabo. Neste exemplo fica claro como utilizar a unidade dB. Observe a facilidade que é trabalhar com dB, que é uma escala logaritmica em vez de uma escala linear. No caso de utilizar dB utilizamos soma e subtração e no caso da escala linear utilizamos multiplicação e divisão.
Cuidado com o termo perda. Na literatura é comum encontrar perda com sinal negativo. Isto pode levar a um erro grave pois em algumas situações você estará dizendo que aconteceu um ganho no espaço. Sempre que falar perda ou atenuação deve-se saber que é um valor positivo que será subtraído de um valor total. Por exemplo, na figura do sistema de transmissão a atenuação dos conectores é de 3dB. Como sabemos que um conector não ocasiona amplificação logicamente a potência na saída será menos 3 dB. Pense sempre na coerência do resultado.
Trata-se de um elemento sempre presente no dia a dia dos seres humanos.
É o olho eletrônico que faz a ligação com o espaço.
Em síntese faz a ligação entre dois pontos da forma mais eficiente possível.
Uma antena está sempre relacionada com a freqüência em que vai operar. 
Ou seja, seu rendimento depende da utilização na faixa de freqüência para a qual a antena foi projetada.
Uma antena de rádio pode ser definida como uma estrutura associada com a região de transição entre uma onda guiada e uma onda no espaço livre, ou vice-versa. A forma como a antena faz esta transição é estudada pela análise das ondas eletromagnéticas geradas pela excitação da antena através de sinais periódicos com freqüência definida. Esta freqüência é para a qual foi projetada a antena. Quanto a eficiência desta transição entramos nas características de concentração de energia em uma certa direção no caso da transmissão ou coletar energia no espaço quando se trata de recepção.
Antena é um condutor elétrico ou conjunto de condutores que conseguem converter sinal guiado em sinal não guiado e vice-versa. Pode ser entendido como um transdutor nos dois sentidos:
Transmissão - irradia energia eletromagnética no espaço
Recepção - coleta energia eletromagnética do espaço
A mesma antenas pode ser utilizada para transmitir e receber. Porém, em algumas aplicações pode-se ter uma antena de transmissão e outra de recepção.
O diagrama de irradiação mostra como a antena está cumprindo seu papel de concentrar energia em uma certa direção ou coletar energia na recepção. Por este diagrama fica claro qual o sentido preferencial tanto para transmissão quanto para recepção.
A principal forma de representar uma antena é através do diagrama de irradiação que pode ser definido simplesmente como a representação gráfica das propriedades de irradiação da antena que é mostrado utilizando duas dimensões (vertical e horizontal).
Outra definição importante é largura do feixe que é definida como o ponto onde a densidade de potência cai pela metade. Esta definição mostra que uma antena possui diretividade, ou seja concentra energia em uma certa direção.
O diagrama de irradiação de recepção é o mesmo que o de transmissão
Uma das formas mais simples de entender o diagrama de irradiação é fazer uma analogia com uma lanterna. Pela figura claramente existe na posição 4 um máximo de energia luminosa. Independente do plano que corta o eixo da lanterna teremos o gráfico mostrado na figura. De forma bem simples este gráfico claramente mostra o que observamos anteriormente, ou seja no ponto 4 existe um máximo de irradiação. Interessante observar que uma forma mais completa para mostrar este diagrama seria em três dimensões. Porém, utilizando este tipo de representação não é possível ter uma visão precisa do diagrama de irradiação. Por este motivo um diagrama de irradiação é sempre decomposto em dois planos: vertical e horizontal.
Sempre deve ficar claro que o diagrama de irradiação é uma figura em três dimensões que pode ter diagramas nos plano vertical e horizontal iguais ou totalmente diferentes. Ou seja, necessariamente temos que ter os dois planos representados.
Interessante observar que uma forma mais completa para mostrar este diagrama seria em três dimensões mesmo, como mencionado anteriormente. Porém, utilizando este tipo de representação não é possível ter uma visão precisa do diagrama de irradiação. Por este motivo um diagrama de irradiação é sempre decomposto em dois planos vertical e horizontal. Também podemos utilizar dois tipos de coordenadas: retangular ou polar. No primeiro caso o diagrama fica em função dos eixos X e Y em torno da antena. No caso de coordenadas polares a antena seria o centro do gráfico e seriam traçadas radiais com ângulo e módulo. Para passar de uma representação para outra utilizamos a conversão polar para retangular ou vice-versa.
Uma fonte que irradia igualmente em todas as direções num plano é chamada de omnidirecional. Um bom exemplo é o sol que estaria emitindo luz em todas as direções. Observe que esta afirmação só pode ser verificada se fosse feita uma análise em torno de todo o sol. Na verdade só temos a visão de um plano quando olhamos para o sol e não podemos afirmar nada sobre o que está acontecendo do outro lado. Mais uma vez fica claro como é inadequado utilizar a visão tridimensional. Para representar esta fonte isotrópica utilizamos dois planos onde obtemos duas retas se for em coordenadas retangulares e dois círculos em coordenadas polares.
O diagrama de irradiação que é uma reta em um plano considerando coordenadas retangulares ou um círculo considerando coordenadas polares é uma fonte ominidirecional. Assim, uma fonte isotrópica é aquela que irradia igualmente em todas as direções e portanto uma fonte isotrópica possui diagrama omnidirecional em qualquer plano.
O sol pode ser considerada uma fonte isotrópica. Na realidade não existe uma antena isotrópica
pois seria impossível de ser construída. Entretanto para caracterizar o ganho de uma antena qualquer utiliza-se como referência a antena isotrópica. Como é feita uma comparação com a isotrópica a unidade do ganho de uma antena é dBi, ou seja dB em relação à isotrópica. Assim uma antena com 20 dBi significa que esta antena promove uma concentração de sinal em uma certa direção de 100 vezes em relação à isotrópica. Existe também a unidade dBd que seria o ganho de uma antena em relação ao ganho de um dipolo de meia onda. Como o ganho do dipolo de meia onda é de 2,15 dBi para se encontra o ganho de uma antena em dBd basta subtrair 2,15 dB.
Irradia igualmente em todas as direções em um plano sendo muito útil para cobrir por exemplo um salão grande onde os usuários estariam distribuídos por toda a área. Neste caso a antena omnidirecional seria colocada no centro do salão.
Uma isotrópica é omnidirecional em qualquer plano que passe pela sua origem origem bastando para isto lembrar que a ominidirecional irradia em todas as direções. O sol por exemplo teria esta característica pois em qualquer plano seria possível verificar que está irradiando igualmente em todas as direções.
Existem muitos tipos de antenas disponíveis no mercado;
A escolha da antena depende do projeto que leva consideração vários fatores como: distância, freqüência, aplicação, tipo de receptor, etc;
O diagrama de irradiação é a principal informação de uma antena e deve ser escolhido com muito critério para satisfazer o projeto;
A próxima figura apresenta o diagrama de irradiação de vários tipos de antenas em vários cortes diferentes.
A antena mais simples de ser construída é aquela composta de duas astes de metal com comprimento total de metade de comprimento de onda. Ou seja, cada aste teria um comprimento de um quarto de comprimento de onda. A alimentação da antena é feita através de fios ligados nas astes no centro da antena. É possível mostrar que com esta dimensão existe uma ressonância na antena provocando o surgimento de ondas eletromagnéticas provocadas pela excitação da antena por uma fonte geradora na frequencia de operação. Lembrar que esta frequencia é que foi utilizada para calcular o comprimento de onda. Outra antena bastante comum é o monopolo vertical de um quarto de comprimento de onda. Este tipo de antena possui um plano que é chamado plano de terra.
Esta figura mostra o diagrama de radiação de um dipolo. Na figura em baixo a esquerda temos uma visão em três dimensões obtendo a figura de um toróide, que se assemelha a uma rosquinha ou um pneu. Observe o dipolo na posição vertical no centro do toróide. Partindo desta figura realizamos um corte horizontal, figura acima do toróide onde observamos a aste superior do dipolo. Claramente observamos que surge uma um círculo no plano que passa pelo centro do dipolo. A figura mais acima mostra o diagrama de irradiação horizontal, que neste caso é um diagrama omnidirecional. 
No corte vertical observamos dois círculos formando um número oito deitado. O diagrama de irradiação é mostrado na figura mais a direita identificando um máximo de radiação no eixo horizontal da antena e um nulo de radiação no eixo vertical.
A figura mostra o diagrama de radiação de um dipolo de meia onda sendo A figura acima utiliza este tipo de representação sendo neste caso omnidirecional em um plano e direcional em outro plano. Este é o diagrama de irradiação de um dipolo de meia onda como será visto mais a frente.
Neste exemplo temos uma antena que não é ominidirecional em nenhum dos dois planos de análise. São mostrados dois planos, vertical e horizontal. Observar que os diagramas vertical e horizontal são diferentes. Observe que o ganho foi definido em função do ponto onde a potência cai de 3 dB. Ou seja, nestes pontos a potência cai pela metade.
Medida da diretividade;
O ganho é a medida da capacidade de concentração da potência em uma certa direção, utilizando como referência a antena isotrópica. 
Por exemplo, uma antena com ganho de 3 dB significa um aumento de 2 vezes em relação a isotrópica com a unidade dBi.
Existe também o ganho em relação ao dipolo com a unidade dBd.
Importante observar que o aumento do ganho em uma direção significa diminuir em outras direções.
Um conceito relacionado com ganho da antena é a sua abertura efetiva, que representa a área de atuação da antena. Esta forma de interpretar uma antena através de sua abertura efetiva é importante para entender a função da antena na recepção. Ou seja, uma antena na recepção pode ser imaginada como uma boca virtual no espaço que capta a energia radia pela antena de transmissão convertendo as ondas eletromagnética no espaço em um sinal guiado. A abertura efetiva depende do tamanho físico da antena e sua forma. Relação entre ganho da antena e área efetiva é dada pela expressão mostrada no slide e mostra que ganho e abertura efetiva se relacionam diretamente.
Para redes WLAN é famosa a antena construída com lata de batata da marca Pringles. A antena resultante possui um ganho de 12 dBi a um custo bastante baixo. No site abaixo é possível encontrar os detalhes da construção deste tipo de antena.
http://www.oreillynet.com/cs/weblog/view/wlg/448
Além do ganho da antena, que é o principal parâmetro, existem outros parâmetros que devem ser definidos. A impedância da antena indica qual o valor de resistência de uma antena. Este valor é comumente de 50 para sistemas rádio. O cabo coaxial também deve possuir a mesma impedância. Caso exista um descasamento de impedância vai existir uma perda de retorno que significa que parte da energia não foi radiada e retornou para o transmissor. 
Outra característica da antena e seu conector onde será conectado o cabo. O mais tradicional é um conector tipo N fêmea como o mostrado na figura. No cabo coaxial deve ter um conector N macho também mostrado na figura.
Um pigtail é um cabo coaxial com dois conectores: um para ligar na placa wireless e outro para ligar na antena. O conector para ligar na antena é em geral um conector tipo N, como mostrado na figura anterior. Este conector pode ser N macho ou N fêmea. Em geral é N macho pois será ligado diretamente na antena, como mostrado na figura da antena construída com a lata da batata Pringles. O conector da outra extremidade permite ligar na placa wireless e existem inúmeros modelos. Um exemplo clássico é o conector proprietário para placas PCMCIA da Orinoco.

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