Výroba Double BiQuad antény pro WiFi

WiFi 5 GHz - anténa na výložníku 2Jako u všech rádiových přenosů, i ty datové, využívající technologii WiFi potřebují pro svoji bezchybnou funkci dostatečně silný a kvalitní signál. Jedním z předpokladů je použití vhodně navržené a vyrobené antény. To platí jak pro kmitočtové pásmo 2,4 GHz, tak i 5 GHz.

Existuje několik základních typů antén. Jejich použití je závislé na aktuálních podmínkách v místě provozu. S běžně prodávanými WiFi routery se dodávají zejména krátké prutové antény, které jsou navrženy v délkách 1/4 nebo 5/8 vlnové délky. USB WiFi adaptéry a adaptéry v přenosných zařízeních mívají planární invertovanou F anténu, která je vyleptána přímo na plošném spoji. Vlnová délka λ je závislá na konkrétním provozovaném rezonančním kmitočtu (λ = 300 / f; λ – metry, f – MHz). V praxi se bere v úvahu střední kmitočet provozovaného pásma.

Parametry antén

Důležitými parametry všech antén jsou rezonanční kmitočet, zisk, šířka pásma, směrovost, vyzařovací úhel a polarizace.

Rezonanční kmitočet je nejdůležitější parametr, který se používá při výpočtech všech antén. Na jeho hodnotě a typu antény závisí výsledná velikost antény a všech jejích prvků. Jak bylo uvedeno výše, při výpočtech bereme v úvahu střední kmitočet provozovaného pásma. Lze říci, že anténa v rezonanci vyzáří 100 % přivedeného signálu do prostředí. Poznámka: V ostatních případech přichází ke slovu termín poměr stojatých vln VSWR, SWR, PSV, … Nabývá hodnot vyšších než 1:1 (VSWR = 1:1 -> při rezonančním kmitočtu antény). Hodnoty vyšší než cca 2:1 znamenají neoptimalizovanou anténu. Kolem cca 15:1 a výše může dojít ke zničení vysílacích obvodů.

Zisk udává poměr výkonu antény vůči půlvlnnému dipólu nebo ideálnímu izotropnímu všesměrovému zářiči. Pro porovnání s izotropním zářičem se používá bezrozměrná jednotka dBi. Chceme-li porovnat zisk s půlvlnným dipólem, použijeme jednotky dBd (nebo jen dB). Obecně platí, že dBi = 2,16 + dBd. To proto, že půlvlnný dipól má oproti izotropnímu zářiči zisk 2,16 dB. Zisk je stejný pro příjem i vysílání.

Šířka pásma určuje použitelný kmitočtový rozsah antény. To je důležité zohlednit zejména při výběru vhodného typu antény. Širokopásmové antény mívají geometricky optimalizované zářiče, případně vhodně umístěné direktory (pasivní prvky umístěné ještě před zářičem). Antény vybíráme s šířkou kmitočtového pásma, které pokryje naše účely. Pokud pořídíme anténu s příliš širokým zpracovávaným pásmem, bude přijímat i nežádoucí kmitočty, které mohou při dostatečné síle přebudit vstupní obvody zařízení a to nebude použitelné.

Směrovost je dána vyzařovacím úhlem antény v horizontální a vertikální rovině. Pokud se budeme zabývat sektorovými anténami, bývá tento úhel např. 120 °. Úzce směrové antény mají tento úhel v rozmezí 3 ° – 40 °. V běžné praxi se antény podle směrovosti označují jako všesměrové, sektorové a směrové (úzce směrové).

Polarizace je velmi důležitým parametrem antény a má značný význam na šíření elektromagnetické vlny. V zásadě používáme lineární a kruhové/eliptické. Lineální dále dělíme na vertikální a horizontální. U technologie WiFi používáme nejčastěji polarizaci lineární, v ojedinělých a specifických případech kruhovou. Pokud bude anténa umístěna svisle, jedná se o polarizaci vertikální (elektromagnetické vlny svírají s povrchem Země pravý úhel – 90 °). Otočíme-li zářič o 90 °, změní se polarizace na horizontální (elektromagnetické vlny jsou paralelně k povrchu Země). Rozdíl však může dosahovat až cca -20 dBd, proto je nutné mít všechny antény se shodnou polarizací. U kruhové polarizace (elektromagnetická vlna rotuje v dopředním směru v úhlu 360 °), pro kterou se vyrábí speciální antény, a setkáme se s ní hlavně u satelitního příjmu, rozlišujeme pravotočivou a levotočivou (při rozdílných kruhových polarizacích mohou být ztráty opět cca -20 dB). Kruhová polarizace má výhodu ve vyšší odolnosti vůči rušení, nicméně se ji opravdu snažíme vyhnout – běžně takovou anténu žádné dostupné zařízení neobsahuje a výroba je složitější.

Možná někoho napadne, jaký má vliv lineárně polarizovaná anténa skloněná o 45 °. Oproti všem polarizacím (lineární i kruhové) jsou ztráty cca -3 dB, což je velmi přijatelná hodnota. Stejné je to i mezi lineárními a kruhovými polarizacemi.

Samozřejmě existuje i řada dalších parametrů jako impedance (pro WiFi vždy 50 ohm), efektivní délka antény, činitel zpětného příjmu, atd. Ty ale nebudeme uvažovat. Více Radiové obvody a jejich vlastnosti – rozhraní.

Použití antén pro AP a klientská zařízení

Pokud budeme uvažovat o tom, jaký typ antény použijeme, musíme brát v úvahu zejména vzdálenost mezi AP a klienty, délku napáječe, umístění překážek (elektromagnetické vlny kmitočtů 2,4 GHz a 5 GHz jsou poměrně krátké a špatně procházejí objekty), počet klientských zařízení/terminálů a zarušení kmitočtového pásma okolními uživateli (platí zejména pro 2,5 GHz, kde je velká penetrace).

Následující seznam obsahuje nejznámější typy antén a jejich použití.
Všesměrové antény (prutové, invertované F, J, …):

  • místnosti s počtem uživatelů ±20; AP; kmitočty 2,4 GHz i 5 GHz (ten musí samozřejmě všechna zařízení podporovat)
  • několik menších místností; AP; 2,4 GHz
  • prostranství dvorů, venkovních restaurací; AP
  • invertované L a F antény – přenos dat z čidel; klient

Sektorové antény (panelové, štěrbinové, …):

  • velké konferenční místností, výrobní haly; AP
  • ISP na vesnicích, ve městech; AP

Směrové antény (yagi, BiQuad, sítové, parabolické, …):

  • spoje na delší vzdálenost (několik set metrů); AP, klient
  • v případě zarušení prostředí ostatními uživateli; AP, klient; platí i pro případ, kdy my nechceme rušit ostatní
  • přenos dat z pevně umístěných bezobslužných terminálů; klient

Speciální antény (všesměrové i úzce směrové s kruhovou polarizací):

  • cloverleaf – používají se zejména pro přenos videa z dronů; AP, klient
  • helix – spoje na delší vzdálenost; nejčastěji spoje AP – AP

Příslušný zisk antény se nepodílí pouze na příjmu signálu, ale i na jeho vysílání. S externí anténou bychom měli zejména kompenzovat ztráty prostředí (vzduch, stromy a další objekty v přímé cestě) a napáječe (koaxiální kabel) na příjmové straně. Vysílací výkon musí být ručně nastaven maximálně na povolenou hodnotu e.i.r.p. (ekvivalentní izotropický vyzářený výkon). V tomto ohledu musíme dbát veřejného oprávnění č. VO-R/12/09.2010-12, vydaného ČTÚ. V případě jeho porušení nám hrozí nemalý finanční postih.

Kupříkladu pro anténu se ziskem 13 dB, napáječem s útlumem 7 dB (útlum zpravidla na 100 m délky lze nalézt v katalogovém listu konkrétního koaxiálního kabelu) a povoleným e.i.r.p. pro pásmo 2,4 GHz 100 mW (20 dBm) vychází 20 dBm – 13 dB + 7 dB = 14 dBm (25 mW). Na zařízení tedy nastavíme maximální výkon 25 mW (14 dBm). Tím bude splněna podmínka o maximálním ekvivalentním izotropickém vyzářeném výkonu. Pokud na zařízení nastavíme hodnotu 100 mW (20 dBm), bude hodnota e.i.r.p. 20 dBm (nastaveno na zařízení) + 13 dB (zisk antény) – 7 dB (útlum napáječe) = 26 dBm (400 mW). Tzn. 4 krát překročíme maximálně povolenou hodnotu, a pokud bydlíme v nějakém větším městě, např. v Praze, kde provádí ČTÚ pravidelná měření, můžeme si připravit sušenky a nějaké drobné pro pravděpodobnou návštěvu, která bude vést dlouhý monolog zakončený předáním šeku.

Jak je možné na výpočtech poznat, bezrozměrné jednotky (dB, dBm, dBd, dBi, atd.) lze bez problémů kombinovat. Ostatní (mW, mV, …) je nutné převést.

Stavba antény Double BiQuad

Anténa typu Double BiQuad (smyčková anténa) je směrová anténa dosahující zisku cca 13 dB. Skládá se ze zářiče, jež je aktivním prvkem, a reflektoru. Reflektor může být kruhový, oválný nebo obdélníkový. Pro zlepšení směrovosti, odolnosti proti rušení a zisku je možné na reflektor přidat bočnice. Jako u ostatních antén je reflektor spojen s vnějším vodivým pláštěm koaxiálního kabelu (stíněním).

Výpočty antén BiQuad a Double BiQuad je možné nalézt na stránce Build Your Own Antenna: BiQuad Antenna Calculator.
Tyto antény jsem postavil celkem dvě. Jednu pro pásmo 2,4 GHz, druhou pro pásmo 5 GHz. Veškeré výpočty byly provedeny na výše uvedené internetové stránce.

Výroba je poměrně jednoduchá, nicméně je potřeba udělat určitou přípravu. To se týká zejména použitého materiálu. Pro stavbu zářiče jsem použil měděný drát o průměru 1,5 mm (běžný elektrikářský kabel CYKY, dostupný v každé elektře). Rozdílů mezi oběma mými verzemi je několik. Zářič pro 2,4 GHz je běžný cuprextit s měděnou fólií (pro výrobu PCB) halovaný cínem. Verze pro 5 GHz má zářič ze stejného materiálu, ale nebyl halován cínem (dělal jsem jako první bez přístupu ke vhodnému materiálu). U 2,4 GHz jsem použil konektor typu N, u 5 GHz RP-SMA. 2,4 GHz verze je pro vnitřní použití, 5 GHz v umělohmotném boxu propouštějící vysokofrekvenční záření (prošel testem v mikrovlnné troubě).

Proč materiál halovaný cínem? Dobře se pájí a má větší odolnost vůči oxidaci – po čase na něm nejsou patrné otisky prstů a oxidy mědi, které zhoršují vlastnosti. Na materiálu příliš nezáleží. Důležitá je jen dobrá vodivost (nejlepší je použít stříbro, lze ale i hliník). Síla není také důležitá, jelikož se vysokofrekvenční signál o těchto kmitočtech šíří pouze po povrchu materiálu (několik µm). Vhodná je přesnost při výrobě zářiče. Nicméně rozdíl několik mm oproti výpočtům je stejný, jako např. 3 m nízkoútlumového napáječe (koaxiálního kabelu) navíc. Nehledě na to, že antény jsou navrženy na střed pásem a provozní kmitočet bývá až o několik desítek MHz jinde (takže případná nepřesnost může v dobrém případě tuto nuanci kompenzovat).

Snažíme se dodržet tvar antény a, jak je popsáno výše, přibližně vypočítané fyzické parametry. V ojedinělých případech se může stát, že špatně postavená a napájená anténa může kmitat (rezonovat – neplést si s rezonančním kmitočtem, i když spojitost zde je) a zarušit své okolí (platí dokonce i v případě příjmu)! Pokud si svou prací nejsme jisti, raději zakoupíme některý z komerčně nabízených produktů. Což bychom měli udělat vždy.

2,4 GHz

Zářič je vyroben z měděného drátu o průměru 1,5 mm. Tvar jednotlivých smyček může být jak čtvercový, tak kruhový. Reflektor je z jakéhokoli vodivého materiálu. V tomto případě z cínem halovaného cuprextitu. Distanční sloupky a šroubky jsou z plastu. V této pozici (obrázky níže) je polarizace antény horizontální.

Vysokofrekvenční konektor typu N, určený pro zabudování do panelu, je přímo zapájen na zářič. Reflektor je s konektorem (a tedy i stíněním napáječe) propojen čtveřicí vodivých antikorozních šroubků, se smyčkou zářiče zapájenou drátovou spojkou.

 

5 GHz

WiFi 5 GHz - anténa - zářičZářič je opět vyroben z měděného drátu o průměru 1,5 mm. Tvar jednotlivých smyček může být jak čtvercový, tak kruhový. Reflektor je z jakéhokoli vodivého materiálu.

V této pozici je polarizace antény vertikální.

 

WiFi 5 GHz - anténa - konektorVysokofrekvenční konektor RP-SMA (Reverse Polarity SMA) byl vyndán z nepotřebné prutové antény. Konektory RP-SMA (WiFi specialita) mají oproti běžným typům SMA přendán vnitřní kolík z male do female. Distanční sloupky a k nim příslušné šroubky jsou z nevodivého materiálu.

 

Anténa 5 GHz byla určena pro instalaci ve venkovním prostředí. Proto jsem z plastového boxu na potraviny vyrobil příslušný kryt. Nejdříve je ale nutné se přesvědčit, zda nebude použitý plast bránit průchodu vysokofrekvenčního signálu. To jednoduše provedeme vložením na cca 2 minuty do mikrovlnné trouby. Po tuto dobu sledujeme případné deformace plastu vlivem záření. Pokud je po těchto dvou minutách plast chladný, můžeme jej bez problému použít pro výrobu krytu.

Vysokofrekvenční kabel

Pro propojení antény s WiFi zařízením je vhodné použít nízkoútlumový kabel určený pro provoz na vyšších kmitočtech. Na obrázcích je venkovní typ LMR-240 s PE pláštěm, chránícím proti UV záření. Pro vnitřní použití není tento plášť díky své tuhosti příliš vhodným. V takové případě vybíráme PVC verzi. Při instalaci dbáme na minimální poloměr ohybu, který by měl být cca desetinásobek průměru kabelu.

Legislativa a regulace

Provozování zařízení pro širokopásmový přenos dat je předmětem veřejného oprávnění č. VO-R/12/09.2010-12, vydaného ČTÚ.

Pro kmitočtové pásmo 2 400,0 MHz – 2 483,5 MHz je povolený maximální ekvivalentní izotropický vyzářený výkon e.i.r.p. (tedy to co je z antény vysíláno v podobě elektromagnetického vlnění) 100 mW (20 dBm).

Pro kmitočtové pásmo 5 150 MHz – 5 350 MHz (uvnitř budov a podobných míst) je definován maximální střední (rozdíl oproti 2,4 GHz) e.i.r.p. 200 mW (23 dBm).

Pro kmitočtové pásmo 5 470 MHz – 5 725 MHz je definován maximální střední e.i.r.p. 1 W (30 dBm).

Zařízení musí dodržet maximální vyzářený výkon e.i.r.p. při libovolné kombinaci výstupního výkonu vysílače a použité antény. Není povolen provoz s přídavnými zesilovači a převaděči vysokofrekvenčního signálu. Zařízení nesmí být elektricky ani mechanicky měněno.

Pro kmitočtová pásma 5 250 MHz – 5 350 MHz a 5 470 MHz – 5 725 MHz musí být zařízení vybavena automatickou regulací výkonu a techniky přístupu ke spektru a zmírnění rušení. Technologie potlačení rušení v pásmech musí vyrovnávat pravděpodobnost výběru konkrétního kanálu ze všech dostupných kanálů, aby se v průměru zajistilo rovnoměrné rozprostření zátěže spektra a aby byl zajištěn provoz slučitelný se systémy rádiového určování (radary).

Zařízení jsou provozována na sdílených kmitočtech. Provoz nemá zajištěnu ochranu proti rušení způsobenému vysílacími rádiovými zařízeními jiné radiokomunikační služby provozovanými na základě individuálního oprávnění k využívání rádiových kmitočtů nebo jinými zařízeními pro širokopásmový přenos dat. Případné rušení řeší fyzické a právnické osoby vzájemnou dohodou, případně zastaví provoz ten uživatel, který uvedl do provozu zařízení způsobující rušení později.

1 komentář u „Výroba Double BiQuad antény pro WiFi

  1. Pingback: Monitoring rádiového spektra WiFi v GNU/Linux | brichacek.net

Napsat komentář