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Sinha'ntena: Construindo uma Antena Waveguide para WiFi

Conforme muitos pediram, estou separando os artigos da antena das descries da sexta feira. No entanto, eu vou manter o artigo da antena naquele post, pois no queri reescrev-lo. Ento, l vai ...

How To Build A Tin Can Waveguide WiFi Antenna for 802.11(b or g) Wireless Networks or other 2.4GHz Applications

Primeiramente, vamos falar dos vrios tipos de antenas.

Fundamentalmente, existem dois tipos de antenas para aplicaes wireless: omnidirecional e direcional...

Na escolha do modelo de antena mais adequado para a sua aplicao wireless, alguns cuidados devem ser considerados, pois o sucesso do projeto depende fundamentalmente do sistema irradiante.

* Distncia - A antena a ser escolhida deve cobrir uma distncia maior que a aplicao necessria. Caso seja utilizada uma antena operando em sua capacidade mxima, provavelmente os sinais chegaro mais fracos que o exigido pela aplicao. * Largura da onda - Expressa em graus, a largura de onda denota o alcance de um sinal. Geralmente, quanto mais larga for a onda, mais curta ser a rea de cobertura. Por outro lado, as ondas mais largas compensam os fatores ambientais, como o vento, que afetam adversamente a performance da antena.

* Ganho - Expresso em dbi, o aumento da potncia do sinal aps processado por um dispositivo eletrnico. Usualmente, ganhos maiores revertem em distncias maiores, contudo maiores distncias exigem largura de onda menor e margem de erro muito maior. Para evitar esses problemas, alguns fatores como vento e prdios existentes no trajeto do sinal devem ser considerados no projeto da rede wireless.

Existem dois tipos de antenas para aplicaes wireless:

Omnidirecional

As antenas omnidirecionais cobrem 360 no plano horizontal. Elas trabalham excepcionalmente bem em reas amplas ou em aplicaes multiponto. Usualmente, este tipo de antena utilizado em estaes base, com estaes remotas colocadas ao seu redor.

Direcional

As antenas direcionais concentram o sinal em uma nica direo. Seus sinais podem ter alcance curto e amplo, ou longo e estreito. Via de regra, quanto mais estreito o sinal, maiores distncias ele alcanar. Normalmente, este tipo de antena utilizado em estaes remotas para fazer a comunicao entre estas estaes com uma ou mais estaes base.

As antenas direcionais tambm se subdividem em vrios tipos, dependendo do modo como o fator de direcionamento construido.

Parablica

As antenas parablicas canalizam o sinal em forma de cone, sendo indicadas para aplicaes de longa distncia. A antena semi parablica, uma variao da parablica, emite o sinal de forma elptica. Os modelos grid (grelha) so menos susceptveis a ao dos ventos em razo dos mesmos passarem atravs da estrutura em forma de gaiola, seu sinal pode chegar de 40 a 50 Km em condies eletricamente visuais.

Setorial

As antenas setoriais tm formato amplo e plano, e so, normalmente montadas em paredes podendo ser interna ou externa. So mais recomendadas para links entre prdios com distncias de at 8 km. Algumas podem operar at 3 Km. dependendo do ganho especifico no projeto.

Yagi

So antenas rgidas usadas externamente em ambientes de condies hostis. So tambm antenas com grande fator de direcionalidade, exigindo bastante cuidado na hora do alinhamento entre duas antenas deste tipo. Os sinais podem chegar a 30 Km, em condies eletricamente visual.

Teoria da Antena que vamos Fabricar

Bem, o tipo de antena que vamos fabricar no na realidade de nenhum dos tipos mencionados acima, apesar de que pelo menos no modo como ela funciona, ela lembre ligeiramente o da antena parablica.

Este tipo de antena tem o nome de Waveguide. Eu no tenho certeza do seu nome, mas algo me leva a pensar que por ela ter um formato tubular, ela acaba "guiando" a onda em direo na qual ela est apontada (duh).

Esta antena construda usando-se apenas uma lata metlica de formato cilndrico, um conector N e mais uma ponta metlica de aproximadamente 1/4 do comprimento de onda da frequncia na qual queremos trabalhar, ou seja, WiFi. Detalhe, esta antena s funciona em 2,4 GHz. Para 5GHz as medidas seriam bem diferentes das atuais. Mas nada que umas formulazinhas no resolvam.

O dimetro da boca, a distncia do transmissor do fundo da lata e da boca da mesma, e a altura do transmissor so todos dependentes da frequncia que iremos trabalhar. Este tipo de transmissor um dipolo de 1/4 de onda, onde temos que o material irradiante, que a ponta metlica que ir transmitir tem o tamanho equivalente a 1/4 do comprimento da onda que queremos transferir, que no nosso caso 2,4GHz. Ento vamos aos clculos. A frmula para o clculo do comprimento de onda D = C/F, onde temos que D o comprimento de onda, C a velocidade da luz no meio de transmisso e F a frequncia da onda. ento temos:

2,4GHz = 2,4 * 10^9 ||| D = (3 * 10^8) / (2,4 * 10^9) ||| 3 / (2,4 * 10) ||| C = 3/24 ==> C = 0,125 m == C = 125 mm

Este o comprimento de onda para a frequncia de 2,4 GHz, e no caso da nossa anteninha dipolo de 1/4 de onda, ela dever ter aproximadamente 31,25 mm.

Esta medida vale tanto para o elemento transmissor quanto para as distncias relativas da lata que iremos usar na construo de nossa antena.

Segundo alguns sites que eu vi, o dimetro da lata tem muita relao com o comprimento de onda do sinal pois ele tambm atua como um filtro passa-alta, pois frequncias baixas a onda no "cabe" dentro da lata, e fortemente atenuada por conta disso. Outra propriedade referente ao sinal estacionrio que se forma dentro da lata, principalmente no comprimento de onda que se encaixam no dimetro da lata. Da podemos predizer a terceira medida, lembrando da teoria das ondas estacionrias onde, por conta da reflexo da onda indo e voltando, cria zonas onde o sinal bastante presente e zonas onde o sinal est fracamente presente.

Se ns pensarmos bem, tendo uma onda estcionria de primeira grandeza (ou seja, com um nico ventre ou anti-nodo), ns podemos colocar a antena posicionada exatamente no pice do anti-nodo, o que aumenta as nossas chances de recepo e tambm aumenta bastante a diretividade da mesma. No nosso caso, para termos uma onda estacionria como esta, precisamos ento saber o dimetro da boca da lata que permite o sinal que ns utilizamos se reverbere dentro da lata, e tambm as dimenses da lata e do posicionamento do transmissor dentro da mesma.

S para descomplicar, o que devemos fazer encontrar um dimetro da boca, de forma que a frequncia da onda estacionria ideal seja prxima ou que abarque a faixa de frequncias que estamos trabalhando e que a profundidade da lata seja a necessria para que tenhamos somente um nico anti-nodo dentro da lata. Com isso, podemos tambm definir o ponto onde ser colocada o elemento transmissor.

Como no algo muito fcil de calcular, tendo em vista que temos diversas latas de dimetros diversos, deixo a um javascript que j calcula automaticamente a menor e a maior frequncia que reverberada pelo conjunto, o comprimento de onda da estacionria dentro da lata e o tamanho do elemento transmissor para o intervalo de frequncias que o sistema reverbera:

Calculadora da Antena Circular Waveguide JavaScript

D o dimetro interior da lata Lo o comprimento de onda no ar= 0.125 metres Lc o comprimento de onda da menor frequncia fundamental aceita pelo sistema Lu o comprimento de onda da maior frequncia fundamental aceita pelo sistema

Lg o comprimento da onda estacionria dentro da lata Lc = 1.706D Lu = 1.306D Lg = 1 / (sqr_rt{(1/Lo)2 - (1/Lc)2})

Para melhor funcionamento do WiFi em 2,4 GHz e todos os seus canais:

A menor frequncia dever ser menor que 2400 MHz A maior frequncia dever ser maior que 2480 MHz

D em mm

Menor Frequncia aceita em MHz

Maior Frequncia aceita em MHz

Lg em mm

Lg / 4 em mm - necessrio para construir a lata

3Lg / 4 em mm

Lo / 4 em mm - necessrio para construir a lata

E em seguida, uma imagem que pode servir como referncia para o melhor entendimento destes valores.

Agora, vamos falar de prtica ...

Sinha'ntena

Como eu sou Brasileiro e MEIO anti-USA, entao fiz minha antena a partir de uma lata de leo de soja no transgenica, e com um nome muito propricio. Sinh... Assim nasceu a Sinha`ntena

Segue o passo-a-passo.

Material: 1 conector N externo 1 lata de leo de soja Sinha vazia fio 4.00 mm solda Alicate, ferro de solda, etc....

Passo 1.

Limpe bem a lata, e abre corretamente uma das extremidades da lata tendo cuidado para no ficar pontas que podem cortar a mao. Faa um furo 1/4 da do fundo da lata como ilustrado no desenho abaixo.

O conector

A lata Limpinha.

Os buracos

Passo 2.

Solde um pedao de 3cm de fio rigido no conector N externo como mostra a figura abaixo.

Conector com o pino soldado.

Passo 3. Encaixe o conector no furo feito na lata e prenda com parafusos de polca ou com pop.

Conector preso com pop.

Outro lado mais de perto.

Veja como ficou por dentro da lata.

Esta pronto.. agora so conectar seu pig tail na antena e no seu cartao ou placa. Ou ate mesmo um cabo coaxial RGC213 pra colocar sua natena em um local mais apropriado.

A minha sinha'ntena eu coloquei na janela mesmo.. deu visada perfeita pra torre onde eu recebo sinal do meu provedor.

sinha'ntena na janela vista pelo lado de dentro.

Agora vista pelo lado de fora.

Para minha surpresa, o ganho de sinal com esta antena foi excelente. Muito melhor do que as feita com latas de batatas. Isto porque o diametro da lata e o seu comprimento sao apropriados para a frequencia. Por isso, tome cuidado ao fazer esta antena com latas de outros tamanhos. Procure um