Diseños prácticos de antenas

El costo de antenas de 2400MHz ha bajado drásticamente desde la introducción del estándar 802.11b. Los diseños innovadores utilizan partes simples y pocos materiales para conseguir imponentes ganancias con pocos pasos de fabricación. Desafortunadamente, la disponibilidad de buenas antenas aún es limitada en muchas zonas del mundo, e importarlas puede ser muy caro. Si bien diseñar una antena puede ser un proceso complejo y propenso a errores, construir antenas con componentes disponibles localmente es muy sencillo, y puede ser muy divertido. Presentamos cuatro prácticos diseños de antena que pueden armarse con muy poco dinero.

Posiblemente el diseño de antena más simple es el uso de una parábola para dirigir la salida de un dispositivo inalámbrico USB (conocido en el ámbito de las redes como USB dongle). Poniendo la antena dipolo interna presente en el dispositivo inalámbrico USB en el foco del plato parabólico, se puede obtener una ganancia significativa sin la necesidad de soldar o abrir el dispositivo inalámbrico en sí mismo. Muchos tipos de platos parabólicos pueden funcionar, incluyendo platos satelitales, antenas de televisión, y hasta implementos metálicos de la cocina (como un wok, una tapa redonda o un tamiz). Como un extra, se utilizan cables USB –baratos, libres de pérdidas de RF–, eliminando la necesidad de adquirir los cables coaxiales o heliax que son mucho más caros.

Para construir una parabólica con USB dongle, va a necesitar encontrar la orientación y la ubicación del dipolo dentro del dongle. La mayoría de los dispositivos orientan al dipolo para que el mismo esté paralelo con el borde corto del dongle, pero algunos montan el dipolo perpendicular al borde. Puede abrir el dongle y verificarlo por usted mismo, o simplemente probar el dongle en ambas posiciones y ver cuál provee más ganancia.

Para probar la antena, diríjala a un punto de acceso alejado varios metros, y conecte el dongle USB a una computadora portátil. Use el driver original del dongle o una herramienta como Netstumbler (vea el capítulo seis), y observe la intensidad de la señal recibida del punto de acceso. Ahora, mueva lentamente el dongle en relación con la parabólica y vaya mirando el medidor de intensidad de señal. Debe ver un aumento significativo en la ganancia (de 20 dB o más) cuando encuentre la posición adecuada. El dipolo generalmente se ubica de 3 a 5 centímetros de la base del disco, pero esto va a depender de la forma de la parábola. Busque varias posiciones mientras mira su medidor de intensidad de señal hasta que encuentre la posición óptima.

Una vez que encontró la mejor ubicación, fije el dongle en su lugar de forma segura. Va a tener que impermeabilizar el dongle y el cable si la antena se utiliza en exteriores. Use un compuesto de silicona o un segmento de tubo de PVC para proteger del clima los elementos electrónicos. Muchos diseños e ideas de parabólicas con alimentadores USB están documentados en línea en http://www.usbwifi.orcon.net.nz/.

Esta antena es muy sencilla de armar; se requiere de un pedazo de alambre, un conector tipo N y una placa metálica cuadrada. Puede usarse para una cobertura punto a multipunto de corta distancia, en interiores o exteriores. La placa tiene un agujero perforado en el medio para colocar el chasis del conector tipo N el cual se atornilla en el lugar. El alambre se suelda en la clavija del conector N y tiene espiras para desfasar los elementos activos. Se pueden hacer dos versiones de la antena: una con dos elementos activos y dos espiras, y otra con cuatro elementos activos y cuatro espiras. Para la antena más corta, la ganancia ronda los 5dBi, mientras que la más larga, con cuatro elementos, va a tener de 7 a 9 dBi de ganancia. Solo vamos a describir cómo construir la antena larga.

• Un conector tipo N hembra de rosca
• 50 cm de alambre de bronce o de cobre de 2 mm de diámetro
• Una placa metálica cuadrada de 10x10 cm o más grande

• Regla
• Pinzas
• Lima
• Estaño y soldador
• Taladro con un juego de mechas para metal (incluyendo una mecha de 1,5cm. de diámetro)
• Un pedazo de tubo, o una mecha con un diámetro de 1 cm.
• Prensa o abrazadera
• Martillo
• Llave inglesa

1. Enderece el alambre utilizando la prensa.

2. Con un marcador, dibuje una línea a 2,5 cm comenzando desde uno de los extremos del alambre. En esa línea doble el alambre a 90 grados con la ayuda de la prensa y el martillo.

3. Dibuje otra línea a una distancia de 3,6 cm desde la curva anterior. Utilice la prensa y el martillo, doble otra vez el alambre en esta segunda línea a 90 grados, en la dirección opuesta a la primera curva pero en el mismo plano. El alambre debe verse como una “Z”.

4. Vamos a retorcer la porción “Z” del alambre para hacer un anillo de 1 cm de diámetro. Para esto, vamos a utilizar el tubo o la mecha y curvamos el alambre a su alrededor, con la ayuda de la prensa y de las pinzas.

El anillo va a verse así:

5. Debe hacer un segundo anillo a una distancia de 7,8 cm desde el primero. Ambos anillos deben tener la misma dirección de giro y deben ubicarse alineados del mismo lado del alambre. Haga un tercer y cuarto anillo siguiendo el mismo procedimiento, y a la misma distancia de 7,8 cm cada uno del otro. Corte el último elemento activo a una distancia de 8,0 cm desde el cuarto anillo.

Si los anillos fueron hechos correctamente, ahora debe ser posible insertar un tubo a través de todos ellos como se muestra en la imagen.

6. Con un marcador y una regla, dibuje las diagonales en la placa metálica para encontrar su centro. Con una mecha pequeña, haga un agujero piloto en el centro de la placa. Incremente el diámetro del agujero utilizando mechas de mayor diámetro.

El conector N debe encajar exactamente en la perforación. Si es necesario use una lima.

7. Para tener una impedancia de antena de 50 Ohms, es importante que la superficie visible del aislante interno del conector (el área blanca alrededor de la clavija central) esté al mismo nivel que la superficie de la placa. Por esta razón, debe cortar 0,5 cm de un tubo de cobre con un diámetro externo de 2 cm, y colocarlo entre el conector y la placa.

8. Atornille la tuerca al conector para fijarlo firmemente en la placa utilizando la llave inglesa.

9. Pula con la lima el lado del alambre que tiene 2,5 cm de largo desde el primer anillo. Cubra de estaño aproximadamente 0,5 cm en el extremo pulido ayudándose con la prensa.

10. Con el soldador, “estañee” la clavija del conector. Mantenga el alambre en posición vertical con las pinzas y suelde el lado “con estaño” en la clavija. El primer anillo debe estar a 3,0 cm de la placa

11. Ahora vamos a estirar los anillos extendiendo el largo total del alambre. Usando la prensa y las pinzas estire el alambre hasta que el largo final de cada anillo sea de 2,0 cm.

12. Repita el mismo procedimiento para los otros tres anillos, llevando su longitud hasta 2,0 cm.

13. Al terminar, la antena debe medir 42,5 cm desde la placa hasta la punta.

14. Si tiene un Analizador de Espectro con un Generador de Barrido y un Acoplador Direccional, puede chequear la curva de la potencia reflejada de la antena. La imagen que sigue muestra el despliegue del Analizador de Espectro.

Si quiere utilizar esta antena en exteriores, va a necesitar impermeabilizarla. Un método simple es encerrar toda la antena en un tubo de PVC cerrado con tapas. Abra una perforación abajo para la línea de transmisión y selle la antena con silicona o pegamento.

Esta antena algunas veces llamada Cantenna, utiliza una lata como guía de onda y un cable corto soldado a un conector N como sonda para la transi- ción del cable coaxial a la guía de onda. Puede construirse fácilmente al precio del conector únicamente, reciclando una lata de comida o de jugo. Es una antena direccional, útil para enlaces punto a punto de corta a media dis- tancia. También puede utilizarse como alimentador para un plato o una malla parabólica.

No todas las latas son buenas para construir una antena porque existen al- gunas limitaciones en cuanto a la dimensión:

1. Los valores aceptables para el diámetro D del alimentador están entre 0,60 y 0,75 de longitud de onda en el aire a la frecuencia designada. A 2440 MHz la longitud de onda λ es de 12,2 cm, por lo tanto, el diámetro de la lata debe estar en el rango de 7,3 a 9,2 cm.

2. El largo L de la lata debería ser preferiblemente de al menos 0,75 λg, donde λg es la longitud de onda dentro de la guía y está dada por:

                                     λ
                   λg  = --------------------------
                          sqrt(1 - ( λ / 1.706D)²)

Cuando D sea = 7,3 cm, necesitamos una lata de al menos 56,4 cm, mientras que para D = 9,2 cm la lata debería ser de al menos 14,8 cm. Generalmente cuanto más chico el diámetro, más larga debe ser la lata. Por ejemplo, vamos a usar latas de aceite que tienen un diámetro de 8,3 cm y una altura de aproximadamente 21 cm.

3. El elemento activo para la transición del cable coaxial a la guía de onda debe posicionarse a una distancia S desde el fondo de la lata, dada por:

                              S = 0.25 λg

Su largo debe ser de 0,25λ, el cual a 2440 MHz corresponde a 3,05 cm.

La ganancia para esta antena va a estar en el orden de 10 a 14 dBi, con un ancho de haz de alrededor de 60 grados.

• Un conector tipo N hembra atornillable
• 4 cm de alambre de bronce o de cobre de 2 mm de diámetro
• Una lata de aceite de 8,3 cm de diámetro y 21 cm. de largo

• Abrelatas
• Regla
• Pinzas
• Lima
• Soldador
• Estaño
• Taladro con un juego de mechas para metal (con una mecha de 1,5 cm de diámetro)
• Prensa o abrazadera
• Llave inglesa
• Martillo
• Perforadora / Sacabocados

1. Con el abrelatas quite cuidadosamente la parte superior de la lata.

El disco circular tiene puntas muy afiladas. ¡Sea cuidadoso al manejarla! Vacíe la lata y lávela con jabón. Si la lata contenía ananás, galletitas, u otras cosas sabrosas, tenga la bondad de servir la comida a un amigo.

2. Con la regla, mida 6,2 cm desde el fondo de la lata y dibuje un punto. Tenga cuidado de medir desde el lado interior del fondo. Utilice un punzón (o una mecha pequeña o un destornillador Phillips) y un martillo para marcar el punto. Esto hace que sea más sencillo taladrar el agujero de forma precisa. Asegúrese de no deformar la lata insertando un pequeño bloque de madera u otro objeto dentro de la lata antes de golpearla.

3. Con una mecha pequeña del taladro, haga un agujero en la posición previamente marcada. Incremente el diámetro del mismo utilizando mechas con un diámetro cada vez mayor. El conector N debe encajar exactamente en la perforación. Use la lima para alisar el borde del agujero y para remover la pintura que lo rodea para asegurar un mejor contacto eléctrico con el conector.

4. Alise con la lima uno de los extremos del alambre. Cubra con estaño el alambre alrededor de 0,5 cm en el mismo extremo ayudándose con la prensa.

5. Con el soldador, suelde la clavija del conector. Mantenga el alambre en posición vertical con las pinzas, suelde el lado estañado en el agujero de la clavija

6. Inserte una arandela y atornille suavemente la tuerca en el conector. Recorte el alambre a 3,05 cm medidos desde la base de la tuerca.

7. Destornille la tuerca del conector, dejando la arandela en el lugar. Inserte el conector en el agujero de la lata. Atornille la tuerca al conector desde el interior de la lata.

8. Utilice las pinzas o la llave inglesa para ajustar firmemente la tuerca al conector. ¡Ha terminado!

Al igual que los otros diseños de antenas, debe hacer una cubierta a prueba de agua para la antena si quiere usarla en exteriores. El PVC funciona bien para la antena de lata. Coloque toda la antena en un tubo grande de PVC, y selle los extremos con tapas y pegamento. Va a tener que hacer una perforación en un lado del tubo en el lado de la lata para pasar el conector N con la línea de transmisión.

Al igual que con la parabólica con dongle USB, se puede utilizar el diseño antena de lata como un alimentador para obtener una ganancia significativamente mayor. Monte la antena de lata en la parabólica con el lado abierto de la lata enfocando al centro del plato. Use la técnica descrita en el ejemplo de la antena dongle USB (observar cómo cambia la intensidad de la señal variando la posición del iluminador) para encontrar la ubicación óptima de la lata para el plato que está usando.

Con el uso de una antena de lata bien construida en una parabólica afinada correctamente, se puede lograr una ganancia global de la antena de 30dBi o más. Al incrementar el tamaño de la parabólica, se aumenta la ganancia y la directividad de la antena. Con parábolas muy grandes, usted puede obtener una ganancia mucho más grande.

Por ejemplo, en 2005, un equipo de estudiantes estableció exitosamente un enlace desde Nevada a Utah en los Estados Unidos. ¡El enlace cruzaba una distancia de más de 200 kilómetros! Estos entusiastas del mundo inalámbrico usaron platos de satélite de 3,5 metros para establecer un enlace 802.11b que corría a 11Mbps, sin utilizar un amplificador. Los detalles acerca de este logro pueden encontrarse en http://www.wifi-shootout.com/

El 13 de abril de 2006, un equipo de la Fundación EsLaRed (Ermanno Pietrosemoli y Javier Triviño), y del ICTP (Carlo Fonda) lograron transferir archivos con tecnología Wi-Fi a una distancia de 279 km usando dos enrutadores Linksys WRT54 con firmware de código abierto. Se usaron antenas satelitales recicladas, a la frecuencia de 2.412 MHz, sin emplear amplificadores. La experiencia se realizó en Venezuela, entre el Pico del Águila, a 4.100m, y el cerro El Baúl, a 125 m de altura. Detalles en http://www.wilac.net/

El NEC2, nombrado así por Numerical Electromagnetics Code, es un paquete de modelación de antenas gratuito. NEC2 le permite construir un modelo de antena en 3D, y luego analiza la respuesta electromagnética de la misma. Fue desarrollado hace más de diez años y ha sido compilado para correr en diferentes sistemas de computadoras. NEC2 es particularmente efectivo para analizar modelos basados en configuraciones de alambres, pero también tiene ciertas facilidades para modelar superficies planas.

El diseño de la antena se describe en un archivo de texto, y luego se construye el modelo utilizando esa descripción textual. Una antena descrita en NEC2 está dada en dos partes: su estructura y una secuencia de controles. La estructura es simplemente una descripción numérica de dónde se localizan las diferentes partes de la antena y cómo están conectados los alambres. Los controles le dicen a NEC dónde está conectada la fuente de RF. Una vez definidos, se modela la antena transmisora. Debido al teorema de reciprocidad el patrón de ganancia de transmisión es el mismo que el derecepción, por lo tanto modelar las características de transmisión es suficiente para comprender el comportamiento de la antena en su totalidad.

Se debe especificar una frecuencia o rango de frecuencias de la señal de RF. El siguiente elemento importante son las características del terreno. La conductividad de la tierra varia mucho de lugar a lugar, pero en muchos casos juega un rol vital en determinar el patrón de ganancia de la antena.

Para correr NEC2 en Linux, instale el paquete NEC2 desde el URL que está abajo. Para iniciarlo, escriba nec2 e ingrese los nombres de los archivos de entrada y de salida. También vale la pena instalar el paquete xnecview para verificar la estructura y el trazado del patrón de radiación. Si todo funciona bien, se debe obtener un archivo que contiene el resultado. Este puede separarse en varias secciones, pero para una rápida idea de lo que representa se puede trazar un patrón de ganancia utilizando xnecview. Usted debería ver el patrón esperado, omnidireccional horizontalmente, con un pico correspondiente al ángulo óptimo de salida. También están disponibles las versiones Windows y Mac.

La ventaja de NEC2 es que podemos tener una idea de cómo funciona la antena antes de construirla y cómo podemos modificar el diseño para tener la ganancia máxima posible. Es una herramienta compleja y requiere algo de investigación para aprender a utilizarla efectivamente, pero es invaluable para los diseñadores de antenas.

NEC2 está disponible desde los “Archivos NEC no Oficiales” de Ray Anderson en http://www.si-list.org/swindex2.html

Se puede obtener documentación en la “Página Principal no Oficial de NEC" en http://www.nittany-scientific.com/nec/

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