Antena Wifi 335a5z

República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Núcleo: Falcón, Sede: Coro.

Santa Ana de Coro; Diciembre 2014

Antena SPW 2.4Ghz [Antenas]

RESUMEN La antena SPW (Skew Planar Wheel) es un antiguo diseño de los años 50, con ciertas revisiones aplicadas con arcos de 90°. Esta antena esta caracterizada por obtener un resultado excelente, tanto en omnidireccionalidad como en rechazo a la polarización inversa al tener una polarización circular. Para el desarrollo de esta antena se utilizaron componentes y herramientas de fácil , lo que permitieron el desarrollo de la misma en el menor tiempo posible, el diseño de la antena varia para la frecuencia con la que se desea trabajar.

Las medidas utilizadas para la antena a continuación corresponde a la frecuencia de trabajo centrada a 2440MHz, con un ancho de banda más que suficiente para cubrir todos los canales de esa banda, desde 2370 hasta 2510MHz

Introducción Para el desarrollo de esta experiencia se vio necesaria el dominio o la noción de los parámetros de una antena, sus tipo y la polarización de las mismas debido que es importante cuando alineamos las antenas. Si ignoramos la polarización, podemos tener muy poca señal aun teniendo las mejores antenas. El diseño de la antena del tipo SPW corresponde a una antena omnidireccional adaptada a la frecuencia de 2.4Ghz abarcando todos los canales de ese conjunto de frecuencia, además de que la misma posee una polarización circular. MARCOS TEÓRICO Antena: Una antena es un dispositivo (conductor metálico) diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma energía eléctrica en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa. Existe una gran diversidad de tipos de antenas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia radiada, es decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio comercial o una estación base de teléfonos móviles), otras veces deben serlo para canalizar la potencia en una dirección y no interferir a otros servicios (antenas entre estaciones de radioenlaces). Las características de las antenas dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida. Si las dimensiones de la antena son mucho más pequeñas que la longitud de onda las antenas se denominan elementales, si tienen dimensiones del orden de media longitud de onda se llaman resonantes, y si su tamaño es

mucho mayor que la longitud de onda son directivas. Antena Omnidireccional: Orientan la señal en todas direcciones con un haz amplio pero de corto alcance. Si una antena direccional sería como un foco, una antena omnidireccional sería como una bombilla emitiendo luz en todas direcciones con menor alcance. Las antenas Omnidireccionales “envían” la información teóricamente a los 360 grados por lo que es posible establecer comunicación independientemente del punto en el que se esté, ya que no requieren orientarlas. En contrapartida, el alcance de estas antenas es menor que el de las antenas direccionales Polarización: La polarización describe la dirección del vector del campo eléctrico. Polarización Circular: La polarización circular de una onda electromagnética es una polarización en la que el campo eléctrico de la onda de paso no cambia la fuerza, sino sólo de dirección de una manera rotativa. En electrodinámica, la fuerza y la dirección de un campo eléctrico, se define por lo que se llama un vector de campo eléctrico. En el caso de una onda polarizada circularmente, la punta del campo eléctrico vector, en un punto dado en el espacio, describe un círculo a medida que avanza el tiempo. Si la onda se congela en el tiempo, el campo de vector eléctrico de la onda describe una hélice a lo largo de la dirección de propagación. Las antenas de polarización circular ofrecen una serie de ventajas frente a las de polarización vertical, especialmente para

nuestra aplicación, movimiento:

con

un

emisor

en

1. No tienen pérdidas de polarización: las antenas de polarización vertical, conforme dejan de estar paralelas (emisor y receptor), empiezan a tener pérdidas. En el peor caso, con las antenas a 90 grados, se pierde la señal por completo. Esto hace que para una plataforma en constante movimiento como es un avión de FPV la polarización circular sea la ideal. Para que os hagáis una idea, todos los satélites emiten con polarización circular. 2. Reducen muchísimo el multipath: este fenómeno consiste en que las posibles trayectorias reflejadas entre emisor y receptor se superponen en el receptor a la señal deseada, que es la de línea de visión directa. Si esta trayectoria reflejada, por recorrer un camino más largo que la directa, tiene un desfase de media onda respecto a la directa, hace perder la señal. Con la polarización circular, al rebotar la señal la polarización se invierte (por ejemplo de derechas a izquierdas). Si la antena del receptor tiene un buen rechazo a la polaridad inversa, esta señal reflejada no interfiere con la directa. 3. Son menos sensibles a las obstrucciones de señal: en polarización vertical, la onda que se propaga entre emisor y receptor está contenida en un plano vertical. Cualquier obstrucción de ese plano vertical provoca pérdida de señal. En polarización circular, la onda está contenida en un cilindro, por lo que resulta más difícil que algún elemento (vegetación, elementos metálicos del avión, etc.) obstruya por completo la señal.

Cable Coaxial: En el caso de frecuencias mayores que HF (alta frecuencia, por su sigla en inglés) los cables utilizados son casi exclusivamente los coaxiales (o para abreviar coax, derivado de las palabras del inglés “of common axis” eje en común). Los cables coaxiales tienen un conductor central recubierto por un material no conductor denominado dieléctrico, o simplemente aislante. El dieléctrico se recubre con una pantalla conductora envolvente a menudo en forma de malla. El material dieléctrico evita una conexión eléctrica entre el conductor central y la pantalla. Finalmente, el coaxial está protegido por un recubrimiento generalmente de PVC. El conductor interior transporta la señal de RF, y la pantalla evita que la señal de RF sea radiada a la atmósfera, así como impide que posibles señales externas interfieran con la que está siendo transmitida por el cable. SMA (Conector) Se llama SMA (SubMiniature version A) a un tipo de conector roscado para cable coaxial utilizado en microondas, útil hasta una frecuencia de 33 GHz, si bien suele dejar de utilizarse a partir de los 18 GHz, existen tipos diseñados para 26,5 GHz.1 2

Diseño Antena SPW:

Vista del diseño final de la antena comparada con una comercial.

Medidas: La clave es que la longitud del hilo de acero de cada lóbulo más el “feed” (el conductor central del coaxial que queda expuesto) sea la longitud de onda de la

La antena SPW (Skew Planar Wheel) permite combinarse con diversas antenas en el receptor de tierra:

frecuencia para la que queremos construir la antena.

1. Emisor con SPW y receptor con SPW: Es la combinación omnidireccional (no hay que

Para 2.4GHz, las dimensiones para

mantener orientada la antena del receptor). Con

obtener una antena centrada en 2440MHz,

esta combinación se consiguen alcances de

con ancho de banda más que suficiente

5Km en 2.4GHz con 500mW, y mayores (tengo

para cubrir todos los canales de esa banda, desde 2370 hasta 2510MHz, son las siguientes (con la nomenclatura del croquis en la imagen anterior): Feed Length= 3mm



Longitud

VENTAJAS: Todas las ventajas de la

hilo

antena del receptor.

de

acero

=

122,8mm 

1.3GHz y 800mW.

polarización circular. No hay que orientar la



del

que comprobar cuanto más exactamente) con

INCONVENIENTES: Alcance limitado.

Rama larga (leg length + feed length) = 35,2mm



Rama corta (leg length) = 32,2mm



Arc Angle = 90°



Pitch Angle = 50°

2. Emisor con SPW y receptor con antena de polarización vertical directiva: Si en el receptor ya tenemos por ejemplo una patch de 11dB, entre la antena SPW del emisor y la de polarización vertical del receptor tendríamos siempre 3dB de pérdidas de polarización,

MARCO METODOLÓGICO

independientemente de la posición del avión. Eso convierte a la patch de 11dB de forma

Materiales a Utilizar:

efectiva en una patch de 8dB, que sigue siendo una ganancia aceptable. Por el hecho de utilizar



Tubo PVC de 5mm

polarización vertical en el receptor perdemos



Cable coaxial RG58 de 50 omhnios de

(además de esos 3dB) la ventaja de reducir el

impedancia

multipath, ya que la patch de polarización



Conector SMA-RA

vertical capta con 3dB de pérdidas las dos



alambre recubierto de cobre 0.8mm o

polarizaciones: la de derechas directa y de izquierdas reflejada. Vamos, que no es la combinación ideal, pero se trata de poder aprovechar

antenas

existentes

en

las

estaciones de tierra.

VENTAJAS: Seguimos sin tener pérdidas de polarización, por lo que podemos inclinar el

de más espesor. 

Pintura en spray (sin plomo)



Estaño



Termorretráctil o tape



Epoxi.

Herramientas:

avión. Permite aprovechar una antena que ya



Soldador

tengamos.



Tenazas



Exacto



Calibre

3dB de la ganancia de la antena receptora.



Cuñas con un ángulo a 50º

Requiere mantener la antena del receptor



Pirámide 4 caras con un ángulo de 50º

INCONVENIENTES:

No

reduce

las

interferencias por multipath. Desperdiciamos

orientada hacia el avión (con mayor precisión cuanto mayor sea la ganancia de la antena).

3. Emisor con SPW y receptor con antena de polarización circular directiva: La combinación para alcanzar mayores distancias, con todas las ventajas de la polarización circular. Para la antena de tierra hay varias posibilidades en el mercado para 2.4GHz (hay que asegurarse de que

sean RH, polarización

circular a

derechas, o en caso contrario construirla SPW al revés, para que sea a izquierdas, LH), por ejemplo: Patch o Helical.

Procedimiento: 1. Construimos un refuerzo para la antena, para ello se toma el tubo pvc de 5mm y calentando la punta con la pistola de aire caliente, agrandamos un extremo con una mecha de 4,5mm.

2. Preparamos el extremo del coaxial para soldarlo al conector SMA.

6. Para asegurar el tubo de PVC de refuerzo con el conector utilizamos el Termorretráctil del extremo del conector, y dejamos pasado el del extremo de la antena. 3. Estañamos la malla conductora del cable coaxial antes de fijarla en conectar.

7. Cortamos los 4 trozos de hilo de soldadura (el que se usa en soldadura por arco, de acero 4. Soldamos el conector al extremo del coaxial antes trabajado.

recubierto de cobre, de 0.8mm) de la longitud correspondiente. Los extremos deben ser rectos, con corte limpio.

5. Preparamos y estañamos el extremo del coaxial

donde

soldaremos la

antena e

Insertamos el tubo de PVC de refuerzo.

8. Doblamos la rama corta y la larga especificada en la tabla de medidas 1.1.

9. Hacemos el arco de 90° en cada uno de los conductores

anteriormente

doblados

y

procedemos a añadir soldadura a los extremos de los mismos.

11. Utilizando la cutre-cuna para las ramas superiores,

soldamos

los

extremos

al

conductor central del coaxial.

10. Utilizando la cutre-cuna para las ramas inferiores, soldamos los extremos a la malla del coaxial.

Una buena forma de asegurarnos que lo hemos hecho bien es comprobar que la antena se sujeta vertical si la ponemos boca abajo, sin inclinarse a los lados.

Resultado obtenido hasta ahora:

12. Continuando con la elaboración de la antena, para reforzar las zonas de soldadura cubrimos con un poco de epoxi.

13. Finalmente pintamos con spray la zona del conductor con el área con epoxi y colocamos el termorretráctil en la unión entre los conductores y el tubo de pvc.

Anexos

Ilustración 1 Producto Final

Ilustración 2 vista lateral

Conclusiones La antena realizada corresponde al diseño de una antena omnidireccional de polarización circular a una frecuencia de 2.4Ghz en el desarrollo de la misma no se contó con los materiales indicados sino con alguno equivalentes lo que causa variaciones en el modo de trabajo de la antena, uno de las variaciones más crítica está referida al cable coaxial utilizado, el cable exigido en el diseño tiene la misma impedancia de entrada pero no tienen la misma calidad. Las variaciones causadas por error humano al medir o realizar los cortes de los materiales pueden afectar seriamente en el funcionamiento de la antena. Referencias Bibliográficas

Marco Teórico.

http://es.wikipedia.org/wiki/Antena http://es.wikipedia.org/wiki/Polarizaci%C3 %B3n_circular http://cayro.webcindario.com/wifi/Antenas. htm Diseño y elaboración de Antena Skew Planar Wheel.

http://www.aeromodelismovirtual.com/showt hread.php?t=12578