Saludos a todos los integrantes del foro SeguridadWireless y por supuesto a todos los visitantes del mismo, espero que este manual les sirva de ayuda a todos aquellos que desen construir este tipo de antenas. Como en los otros manuales que he posteado en esta misma web he tratado de dar en este nuevo manual la mayor cantidad de detalles en cuanto a los calculos y contruccion de la antena.
Antes de empezar les recomiendo encarnecidamente que revisen los documentos que voy a colocarles en la primera seccion de este post, en ellos podran tener una idea clara del tipo de antena que van a construir, con esto no quiero decir que sera muy dificil realizar este proyecto pero les aseguro que sera mucho mas complejo que construir una guia de onda circular con una lata ó una biquad simple. Sin mas preambulos comencemos.
Paso #1 Referencias y Documentos
- http://www.paramowifix.net/antenas/guiaondas_marshall.html
- http://www.wikarekare.org/Antenna/8+8build/8+8build.html
http://web.archive.org/web/20050307032119/http://www.w1ghz.org/antbook/ch7_part1.pdf
El primer link los llevara hasta la archiconocida pagina de el Sr. Trevor Marshall, alli podran encontrarar informacion sobre el funcionamiento de este tipo de antenas, planos de construccion entre otra informacion de sumo interes. El siquiente link describe la construccion de una guia de ondas ranurada, esta en ingles pero es el post mas completo que he visto sobre la cosntruccion de este tipo de antenas, adicionalmente encontraran un calculador grafico muy interesante. Y el ultimo los llevara hasta un pdf que contiene las bases teoricas para el diseño de este tipo de antenas.
Paso # 2 Seleccion del Tubo a utilizar para la construccion
Antes que nada observemos la siquiente imagen:
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIAayb.bmp)
Como se muestra en la imagen "a" corresponde a la cara ancha del tubo y "b" la cara angosta, de aqui en adelante llamaremos a estas medidas a y b tal y como indica la figura. Ahora solo falta dar respuesta a la siquiente pregunta:
Cuales son las medidas del tubo que deben comprar?
Para saber cuales son las medidas del tubo que van a comprar, pueden sencillamente elegir aquel que cumpla con las especificaciones descritas en las pag web que indique anteriormente, cuales son estas medidas pues a=100mm y b=40mm ó a=100mm y b=50mm, estas son las medidas que se recomiendan en pag como la de Trevor Marshall.
Ahora bien si no encuentran un tubo que tenga estas características tal como me ocurrió a mí pues tienen tres opciones:
A. http://www.w1ghz.org/software/slotantenna.xls
Este es un calculador de guia de ondas ranuradas en Excel muy bueno las ecuaciones son correctas, coinciden con las expuestas en otros documentos y las de algunos libros sobre microondas.
B. http://www.wikarekare.org/Antenna/8Waveguide.html
Aquí tienen otro calculador pero este les muestra gráficamente las medidas y especificaciones de cómo deben realizar la antena.
C. Aquí se acabaron los link magicos, si no les gusta la matematica pues escojan las opciones A y B. En esta opcion C lo que haremos sera utilizar la ecuación de la frecuencia de corte (Fc) para quia de ondas rectangulares.
La teoria dice que el modo dominante en guias de ondas rectangulares es el modo Transverso electrico mn (TEmn) específicamente el modo TE10 por ser aquel que tiene la frecuecia de corte (Fc) mas baja y por que presenta la atenuación mas baja para este tipo de guias.
Por lo expuesto ateriormente haremos que nuestra antena opere en este modo, para ello debemos elegir cuidadosamente las dimensiones de el tubo y asi evitar la propagacion en otro modo que no sea el TE10 lo cula traeria como consecuencia perdidas considerables en la señal, para ello podemos hacer uso de la siguiente ecuacion:
Fc= (1/2*√μ*ε)*√ (m/a)^2*(n/b)^2
Que es lo que haremos con esta ecuacion? Pues determinar la frecuencia de corte para el modo TE10 y el siguiente modo TE01. Para el caso de redes WIFI la frecuencia de operación es de 2,4GHz por lo tanto Fc para el modo TE10 debe ser menor que 2,4GHz y la Fc para el modo TE01 debe ser mayor que 2,4GHz, de esta manera garantizamos que la propagacion se de en el modo dominante. Por ejemplo si tenemos un tubo de medidas a=100mm y b=40mm y nuestra guia de ondas esta rellena de aire entonces la ecuación quedaria de la siguiente forma:
Los datos para la formula son:
a=0,1(mts); b=0,04(mts); μ=12,56e-7(H/m); ε=8,82e-12(F/m); m=1 y n=0
- Modo TE10
Fc10=(1/2*√μ*ε)*√(1/0,1)^2
Fc10=1,5GHz
La cual esta por debajo de 2,4GHz que es la frecuencia de operación de nuestras redes WIFI.
- Ahora para el modo TE01 no queda que:
a=0,1(mts); b=0,04(mts); μ=12,56e-7(H/m); ε=8,82e-12(F/m); m=0 y n=1
Fc01=(1/2*√μ*ε)*√(1/0,04)^2
Fc01=3,76GHz
Vean que la frecuencia de corte para el modo TE01 esta por encima de la frecuencia de operación de nuestras redes WIFI, es decir mientras nuestras transmisiones para esta guia de onda esten por encima de 1,5GHz y menores que 3,76GHz, estaremos operando en el modo dominante por lo tanto las perdidas en la guia seran muy bajas.
Entonces haciendo uso de este principio elegiremos las dimensiones a y b del tubo que vamos a comprar de forma tal que cumplan con las restricciones expuestas por la formula. Para ello he establecido un rango para a y b usando las ecuaciones que mostre anteriormente.
a>70mm para garantizar que Fc10 sea menor que 2,4Ghz
b<50mm para garantizar que Fc01 sea mayor que 2,4GHz
Siendo las medidas recomendadas a=100mm y b=40mm.
Con todo esto ya tenemos claro cuales son las medidas del tubo que debemos comprar para sequir con el siguiente paso.
Paso # 3 Medir las dimensiones del Tubo
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA1.bmp)
Antes de realizar el diseño ó de utilizar las calculadoras que les mostrare deben medir las dimensiones internas del tubo que han comprado y anotarlas para su posterior uso. Para ello les recomiendo que usen un vernier.
Medimos las dimensiones de a
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA2.bmp)
a=73,1mm
Medimos las dimensiones b
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA3.bmp)
b=40,2mm
Como podran ver las dimensiones de mi tubo no son las mas optimas para este tipo de aplicaciones, lo cual se traduce en que las medidas seran mas criticas.
Con estos sencillos pasos ya tenemos las dimensiones a y b de nuestro tubo, las cuales usaremos para el siquiente paso.
Paso # 4 Medidas y especificaciones de la Antena
Primero que nada veamos la siquiente imagen
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA5.GIF)
Ahora nos toca calcular cada uno de los parametros que observaron en la imagen anterior.
En esta sección al igual que en el paso # 2 tienen varias opciones, la primera seria introducir los valores de a y b que han medido y la frecuencia de trabajo que como sabemos para redes WIFI es de 2,4GHz en las calculadoras que coloque en el paso # 2, tanto la hoja de Excel como la calculadora grafica son validas. Si compraron un tubo con las medidas descritas en la Web de Trevor marshall pues también pueden hacer uso de los planos que se encuentran en esa misma Web y ahorrarse bastante trabajo.
Para aquellos que les gusta hacer sus propios cálculos como a mi pueden seguir los pasos que se describen a continuación.
A. Parámetros Básicos
Antes de comenzar a realizar los cálculos que nos permitirán obtener las dimensiones de la antena, debemos calcular ciertos parámetros entre los cuales tenemos: Longitud de onda en el espacio lbre(Lo), longitud de onda dentro de la guía(Lg), longitud de onda de corte (Lc) y por supuesto como ya lo hemos medido a y b. Las ecuaciones se muestran a continuación:
- Calculo de la longitud de onda en el vació
Lo=c/F (mts)
Donde: c=3e8 m/s : Velocidad de la luz en el vació y F : frecuencia de operación
Para el caso de redes wifi la frecuencia de operación es de 2,4GHz.
Para realizar este cálculo he utilizado el canal 6 que corresponde a 2,437GHz. Vean el siguiente ejemplo:
Lo=3e8/2,437e9
Lo = 123e-3 mts ó 123mm
- Calculo de la longitud de onda de corte
Lc = 2*a
Donde: a representa la cara ancha de la guía de ondas.
Para mi caso a = 73,1e-3 mts ó 73,1mm y al sustituir el valor de a en la ecuación me queda que:
Lc = 2*73,1e-3
Lc = 0,1462 mts
- Calculo de la longitud de onda dentro de la guía de ondas
Lg = 1/√(1/Lo)^2*(1/Lc)^2
Los datos son:
Lo = 123mm ; Lc = 0,1462
Entonces tenemos que:
Lg = 1/√(1/123e-3)^2*(1/0,1462)^2
Lg = 228e-3 (mts)
Con estas sencillas ecuaciones ya tenemos los valores de Lo, Lg, Lc y los valores de a y b los cuales son necesarios para el resto de los cálculos.
B. Dimensiones de las ranuras
Los parámetros que debemos calcular para obtener las dimensiones de la ranura se muestran a continuación:
- Largo de la ranura(Lr)
- Ancho de la ranura(Ar)
- Distancia entre la ranura y la línea central de la guía de ondas(X)
- Distancia entre cada ranura de centro a centro(Dr)
Las Ecuaciones son las siguientes:
- Calculo del largo de la ranura
Lr = 0,464*Lo
Lr = 0,464*123e-3
Lr = 57e-3 (mts) ó 57mm
Teóricamente el largo de la ranura debería ser Lo/2 pero según investigaciones realizadas por diferentes autores, llegaron a la conclusión de que la medida exacta no es Lo/2 si no más bien 59mm.
Entonces tenemos que:
Lr = 59mm
- Calculo del ancho de la ranura
Ar = Lg/20
Entonces con Lg = 228e-3 nos queda que:
Ar = 11,4e-3
- Calculo de la distancia entre la ranura y la línea central de la guía de ondas
X = (a/3,14)*asen√y
Donde: y = Gslot/Gwaveguide
Las ecuaciones para Gslot y Gwaveguide se muestran a continuación:
Gslot = 1/N donde “N” es el numero total de ranuras que deseen que tenga su antena.
Gwaveguide = 2,09*(Lg/Lo)*(a/b)*[Cos((0,464*Lo*180)/Lg)-Cos(0,464*180)]^2
Los datos son los siguientes:
N = 16 ranuras ; Lg = 228e-3 ; Lo = 123e-3 ; a = 73,1e-3 ; b = 40,2e-3
Con estos datos calculamos cada uno de los parámetros:
Calculo de Gslot
Gslot = 1/16
Gslot = 0,0625
Calculo de Gwaveguide
Gwaveguide = 2.09*(228e-3/123e-3)*(73,1e-3/40,2e-3)*[Cos((0,464*123e-3*180)/228e-3)-Cos(0,464*180)]^2
Gwaveguide = 2,48
Calculo de Y
Y = 0,0625/2,48
Y = 2,52e-2
Ya con estos valores podemos calcular X
X = (73,1e-3/3,14)*asen(√2,52e-2)
X = 3,7e-3 (mts)
- Calculo de la distancia entre cada ranura de centro a centro
Dr = Lg/2
Los datos son:
Lg = 228e-3
Entonces: Dr = 228e-3/2
Dr = 114e-3 (mts)
Resumiendo las dimensiones de las ranuras son:
Lr = 59mm ; Ar = 11,4mm ; x = 3,7mm ; Dr = 114mm
Bueno ese fue el más engorroso de todos los cálculos el que viene a continuación es bastante sencillo:
Probe to Bottom: distancia entre el reflector inferior y el centro del conector N (Di)
Slot to top: Distancia entre el centro de la última ranura y el reflector superior (Ds)
Slot to probe: Distancia entre el centro del conector N y el centro de la primera ranura (Dn)
Aquí las ecuaciones nada del otro mundo:
Di = Ds = Lg/4
Donde Lg = 228e-3 ; entonces Di = Ds = 57mm
Dn = Lg ; es decir Dn = 228mm
Finalmente ya tenemos todos los datos necesarios para iniciar la construcción de la antena, de aquí en adelante no mas cálculos se los prometo.
Paso # 4 Preparacion de tubo
En esta seccion debemos marcar marcar cada uno de los parametros que calculamos en el paso anterior ó los que obtuvieron a traves de las calculadoras, adicionalmente deben trazar una linea a lo largo del centro del tubo la cual no servira de guia.
Esta parte pueden hacerla como mejor les guste, yo simplemente medi con el vernier la distancia media de la cara ancha del tubo, con esa medida traze varios segmentos y despues los uni utilizando una regla. Aqui algunas imagenes del proceso.
Marcamos los segmentos
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA6.bmp)
Unimos los segmentos para obtener la linea central
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA7.bmp)
El siquiente paso es determinar a que distancia colocaremos la tapa reflectora inferior, les recomiendo que dejen al menos unos 10 cm para los soportes de la antena
Ubicacion exacta de la tapa reflectora inferior
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA8.bmp)
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA9.bmp)
A partir de esa linea deben medir con el vernier la distancia entre el reflector inferior y el centro del conector (Probe to Bottom "Di") en mi caso son 57mm
Medimos los 57mm
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA10.bmp)
Hacemos una pequeña marca en ese punto
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA11.bmp)
En ese punto que acabamos de marcar es donde deben perforar e insertar el conector N-Hembra, a partir de aqui medimos y empezamos a dibujar cada una de las ranuras hasta la ultima.
Ahora desde ese punto medimos la longitud de onda dentro de la guia (Ds = Lg) con el vernier, en mi caso Ds = Lg = 228mm. Marcamos y ese sera el centro de la primera ranura. No tiene importancia en que sentido hagan la primera ranura, puede ser a la derecha o a la izquierda, lo imporante es que esten alternadas.
Centro primera ranura
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA12.bmp)
Una vez situados en el centro de la ranura, debemos dibujarla respetando sus dimensiones:
Primero debemos medir la separacion entre la linea central de la quia y la ranura para ello tomamos el vernier y lo ajustamos a la medida de "X" (Slot offset) en mi caso 3,7mm.
Distancia entre la ranura y la linea central de la guia
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA13.bmp)
Ahora debemos trazar la medida que corresponde al largo de la ranura Slot Length (Lr) en este caso 59mm. Para ello he dividido 59mm entre 2 y el resultado es 29,5mm, calibramos el vernier con esa medida y lo colocamos en todo el centro de la ranura y en el punto que medimos en el paso anterior es decir a 3,7mm (X). Vean las imagenes.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/Guia14.bmp)
Lado de la ranura
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/Guia15.bmp)
A continuacion debemos medir el ancho de la ranura Slot width (Ar), en mi caso son 11,4mm.
Para hacerlo calibren el vernier a la medida de Ar y luego midan desde el extremo de la ranura hacia el lado contrario de la linea central de la guia de ondas.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/Guia16.bmp)
Luego repitan el procedimiento anterior y posteriormente unan ambos extremos de la ranura y al final nos queda:
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/Guia17.bmp)
Ya hemos terminado la primera ranura, ahora debemos calibrar de nuevo el vernier a la distancia entre ranuras de centro a centro Slot Spacing (Dr) en mi caso son 114mm. Para ello colocamos el vernier en el centro de la ranura anterior y marcamos.
Distancia entre ranuras de centro a centro
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/Guia18.bmp)
A partir de aqui se repite el mismo procedimiento n veces donde n es el numero de ranuras que quieran hacer. Al final debe quedarles el diseño plasmado en el tubo y esperando para ser cortado.
Una vez que terminen de dibujar cada una de las ranuras que desean tenga su antena deben medir la distancia entre el centro de la ultima ranura y el reflector superior o tapa de la antena (Ds). Vean las imagenes.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/guia28.bmp)
Hecho esto hagan una marca en ese punto y ese sera el lugar donde debe ir el reflector superior de la antena.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/guia29.bmp)
Con todo esto ya tenemos el diseño impreso en el tubo, ahora solo nos falta cortar.
Paso # 4 Cortes en el tubo
Antes que nada ven la siquiente imagen
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/Guia20.bmp)
Un consejo protejanse los ojos cuando esten taladrando, lijando o cortando cualquier cosa. Mientras hacia las ranuras senti como mas de una astilla de metal chocaba contra el plastico de los lentes.
Para esta parte no hay mucho que explicar con palabras solo vean las imagenes.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/Guia21.bmp)
Como se observa en la figura primero he comenzado a cortar los lados de la ranura y he dejado de ultimo los bordes, una idea para cortar los bordes es que como se daran cuenta cuando hagan la antena, los discos se van gastando a medida que van cortando, cuando ya este bastante desgastado aprovechen y usenlo para cortar los bordes, yo lo hice asi y me funciono muy bien. Otra cosa que pueden hacer es utilizar una broca y luego le van dando forma pero para ello deben tener mucho cuidado.
El procedimiento es el mismo para cada ranura, al final obtenemos esto.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/Guia22.bmp)
Una vez terminadas las ranuras debemos ajustarlas por que seguramente le han quedado rebadadas dentro y fuera del tubo y no queremos que ningun objeto sobresalga dentro de la guia con la excepcion de iluminador conico. Para resolver este problema he usado una lima.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/guia23.bmp)
Paso # 5 Construccion del iluminador conico
La construccion del cono es algo fastidiosa por lo cual he tratado de dar muchos detalles de como lo hice. El material puede ser cobre, bronce o cualquier metal que pueda ser soldado al conector N.
Lo primero es ubicar el plano con las medidas del cono.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/Guia23.GIF)
Sequidamente cortamos un pedazo del material que hayais seleccionado para hacer el cono con las medidas indicadas en la figura anterior y a darle caña. Vean las imagenes:
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/guia24.bmp)
Noten que he usado un compas para hacer el semicirculo.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/guia25.bmp)
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/guia26.bmp)
Ahora tenemos que darle forma, el diametro del cono no debe ser mayor a 15mm y finalmente con mucha maña lo soldamos al conector N-Hembra.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/guia%2027.bmp)
Paso # 6 construccion de las tapas o reflectores de la antena
Para la construccion de las tapas he usado un pedazo de tubo que me ha sobrado, debemos hacer una tapa para la parte inferior y otra para la parte superior.
Para la tapa inferior he cortado una pieza en forma de L la cual promedie midiendo las dimensiones internas del tubo, para ello he usado una cegeta para metales, dremel, un pedazo de tubo que sobro y por supuesto los lentes de seguridad.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/guia30.bmp)
En cuanto a la tapa superior he cortado un pieza plana con dimesiones identicas a las medias externas del tubo.
A continuacion imagenes de las tapas ya terminadas.
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/guia31.bmp)
Recuerden que la pieza en forma de L va dentro de la guia donde la parte superior debe estar alineada con la linea que dibujaron y que representa el punto de partida de la antena, es decir la ubicacion exacta de la tapa reflectora inferior. Mientras que la otra parte de la L debe estar sujetada al tubo.
La tapa superior debe ser colocada encima de la antena. Para fijarla he usado un poco de pegamento especial para metales.
Paso # 7 Ensamblaje de la antena
Bueno ya casi la tenemos lista solo falta colocar las tapas e insertar el conector N-hembra a el cual se le ha soldado previamente el cono. A continuacion vean las imagenes.
Iluminador conico insertado en la guia
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA32.bmp)
Reflector o tapa superior
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/guia33.bmp)
Reflector inferior "L"
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA34.bmp)
Detalle de la sujecion
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA35.bmp)
Bueno amigos ya esto es todo en cuanto a la construccion de la guia de ondas ranurada para aplicaciones wifi. A continuacion fotos del par de antenas que he realizado.
Antena Guia de onda Ranurada Sectorial de 8 Ranuras
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA36.bmp)
Antena Guia de onda Ranurada Sectorial de 16 Ranuras
(http://telefonica.net/web2/wifislax/ranurada/GUIA37.bmp)
Finalmente he terminado la antena y por supuesto el post sobre su construccion, hasta los momentos no he tenido tiempo de probarla en el exterior, solo la conecte una vez al ap dentro de mi cuarto y mi laptop casi estalla de la magnitud de la señal recibida, pero bueno veamos que pasa en exteriores ya posteare los resultados lo prometo.
Espero que este post sea de su agrado y que por supuesto les sirva al menos de alguna manera. He tratado de no alargarlo mucho pero me temo que no tuve exito en ello.
Por favor cualquier duda, critica o lo que sea que quieran preguntar o decir no duden en hacerlo.