sábado, 15 de setembro de 2007

Sinha'ntena: Construindo uma Antena Waveguide para WiFi

Conforme muitos pediram, estou separando os artigos da antena das descrições da sexta feira. No entanto, eu vou manter o artigo da antena naquele post, pois não queri reescrevê-lo. Então, lá 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 vários tipos de antenas.

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

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

* Distância - A antena a ser escolhida deve cobrir uma distância maior que a aplicação necessária. Caso seja utilizada uma antena operando em sua capacidade máxima, provavelmente os sinais chegarão mais fracos que o exigido pela aplicação.
* 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 será a área 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, é o aumento da potência do sinal após processado por um dispositivo eletrônico. Usualmente, ganhos maiores revertem em distâncias maiores, contudo maiores distâncias exigem largura de onda menor e margem de erro muito maior. Para evitar esses problemas, alguns fatores como vento e prédios existentes no trajeto do sinal devem ser considerados no projeto da rede wireless.

Existem dois tipos de antenas para aplicações wireless:


Omnidirecional

As antenas omnidirecionais cobrem 360º no plano horizontal. Elas trabalham excepcionalmente bem em áreas amplas ou em aplicações multiponto. Usualmente, este tipo de antena é utilizado em estações base, com estações remotas colocadas ao seu redor.



Direcional

As antenas direcionais concentram o sinal em uma única direção. Seus sinais podem ter alcance curto e amplo, ou longo e estreito. Via de regra, quanto mais estreito o sinal, maiores distâncias ele alcançará. Normalmente, este tipo de antena é utilizado em estações remotas para fazer a comunicação entre estas estações com uma ou mais estações base.

As antenas direcionais também se subdividem em vários tipos, dependendo do modo como o fator de direcionamento é construido.

Parabólica

As antenas parabólicas canalizam o sinal em forma de cone, sendo indicadas para aplicações de longa distância. A antena semi parabólica, uma variação da parabólica, emite o sinal de forma elíptica. Os modelos grid (grelha) são menos susceptíveis a ação dos ventos em razão dos mesmos passarem através da estrutura em forma de gaiola, seu sinal pode chegar de 40 a 50 Km em condições eletricamente visuais.



Setorial

As antenas setoriais têm formato amplo e plano, e são, normalmente montadas em paredes podendo ser interna ou externa. São mais recomendadas para links entre prédios com distâncias de até 8 km. Algumas podem operar até 3 Km. dependendo do ganho especifico no projeto.



Yagi

São antenas rígidas usadas externamente em ambientes de condições hostis. São também 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 condições eletricamente visual.



Teoria da Antena que vamos Fabricar

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



Este tipo de antena tem o nome de Waveguide. Eu não tenho certeza do seu nome, mas algo me leva a pensar que por ela ter um formato tubular, ela acaba "guiando" a onda em direção na qual ela está apontada (duh).

Esta antena é construída usando-se apenas uma lata metálica de formato cilíndrico, um conector N e mais uma ponta metálica de aproximadamente 1/4 do comprimento de onda da frequência na qual queremos trabalhar, ou seja, WiFi. Detalhe, esta antena só funciona em 2,4 GHz. Para 5GHz as medidas seriam bem diferentes das atuais. Mas nada que umas formulazinhas não resolvam.

O diâmetro da boca, a distância do transmissor do fundo da lata e da boca da mesma, e a altura do transmissor são todos dependentes da frequência que iremos trabalhar. Este tipo de transmissor é um dipolo de 1/4 de onda, onde temos que o material irradiante, que é a ponta metálica que irá transmitir tem o tamanho equivalente a 1/4 do comprimento da onda que queremos transferir, que no nosso caso é 2,4GHz. Então vamos aos cálculos. A fórmula para o cálculo do comprimento de onda é D = C/F, onde temos que D é o comprimento de onda, C é a velocidade da luz no meio de transmissão e F é a frequência da onda. então 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 é o comprimento de onda para a frequência de 2,4 GHz, e no caso da nossa anteninha dipolo de 1/4 de onda, ela deverá ter aproximadamente 31,25 mm.

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

Segundo alguns sites que eu vi, o diâmetro da lata tem muita relação com o comprimento de onda do sinal pois ele também atua como um filtro passa-alta, pois frequências baixas a onda não "cabe" dentro da lata, e é fortemente atenuada por conta disso. Outra propriedade é referente ao sinal estacionário que se forma dentro da lata, principalmente no comprimento de onda que se encaixam no diâmetro da lata. Daí podemos predizer a terceira medida, lembrando da teoria das ondas estacionárias onde, por conta da reflexão da onda indo e voltando, cria zonas onde o sinal é bastante presente e zonas onde o sinal está fracamente presente.



Se nós pensarmos bem, tendo uma onda estácionária de primeira grandeza (ou seja, com um único ventre ou anti-nodo), nós podemos colocar a antena posicionada exatamente no ápice do anti-nodo, o que aumenta as nossas chances de recepção e também aumenta bastante a diretividade da mesma. No nosso caso, para termos uma onda estacionária como esta, precisamos então saber o diâmetro da boca da lata que permite o sinal que nós utilizamos se reverbere dentro da lata, e também as dimensões da lata e do posicionamento do transmissor dentro da mesma.

Só para descomplicar, o que devemos fazer é encontrar um diâmetro da boca, de forma que a frequência da onda estacionária ideal seja próxima ou que abarque a faixa de frequências que estamos trabalhando e que a profundidade da lata seja a necessária para que tenhamos somente um único anti-nodo dentro da lata. Com isso, podemos também definir o ponto onde será colocada o elemento transmissor.

Como não é algo muito fácil de calcular, tendo em vista que temos diversas latas de diâmetros diversos, deixo aí um javascript que já calcula automaticamente a menor e a maior frequência que é reverberada pelo conjunto, o comprimento de onda da estacionária dentro da lata e o tamanho do elemento transmissor para o intervalo de frequências que o sistema reverbera:

Calculadora da Antena Circular Waveguide - JavaScript



D é o diâmetro interior da lata
Lo é o comprimento de onda no ar= 0.125 metres
Lc é o comprimento de onda da menor frequência fundamental aceita pelo sistema
Lu é o comprimento de onda da maior frequência fundamental aceita pelo sistema
Lg é o comprimento da onda estacionária 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 frequência deverá ser menor que 2400 MHz
A maior frequência deverá ser maior que 2480 MHz