Jak zrobić kierunkową antenę WLAN z puszki

Metalowy stojak na szczotkę do WC albo stalowa puszka, kawałek miedzianego kabla,
niedrogie złącze, cztery śrubki i trochę dobrych chęci – tyle wystarczy, aby w niespełna
godzinę zmajstrować kierunkową antenę dla urządzeń WLAN. Zobacz jak powiększyć
zasięg urządzeń WLAN za pomocą prostych materiałów

Christiane Rütten, Sven Dortmund, Adam Rudziński

Zasięg bezprzewodowych urządzeń Wi-Fi da się łatwo zwiększyć za pomocą zewnętrznych
anten. Jakiś czas temu opisywaliśmy, jak zbudować antenę typu Yagi-Uda z kawałka drutu i
styropianu. Takie urządzenie nieźle sprawdza się w mieszkaniu, ale zawiedzie w sytuacji, w
której przyjdzie transmitować sygnał na odległość kilkudziesięciu metrów (na przykład do
odbiornika umieszczonego po drugiej stronie ulicy). Przyczyną takiego stanu rzeczy jest nie
tylko niewielki zasięg promienników dookólnych wynikający z faktu, że energia fali

elektromagnetycznej jest rozpraszana sprawiedliwie

we

wszystkie strony. Zazwyczaj trzeba się liczyć z tym, że nasz router albo access point nie jest
jedynym nadajnikiem w okolicy – najprawdopodobniej ktoś inny w pobliżu także używa
sprzętu WLAN i dochodzi do interferencji dwóch (lub więcej) sygnałów. Oczywiście można
podjąć próbę przelicytowania "konkurencji" i zwiększyć moc własnego nadajnika, ale prędzej
czy później skończy się to spotkaniem z inspektorami Państwowej Agencji Radiokomunikacji i
– w najlepszym razie – konfiskatą podrasowanego sprzętu. Pisząc o antenie Yagi,
wspominaliśmy zresztą o konieczności kontrolowania mocy sygnału.

Znacznie lepszym pomysłem wydaje się skonstruowanie anteny kierunkowej. Zastąpi ona tę
standardową, będącą na wyposażeniu stacji bazowej WLAN. Nieraz zdarza się, że access
point ma więcej niż jedną antenę – w takiej sytuacji urządzenie kierunkowe zostanie
obciążone zadaniem utrzymywania komunikacji na większy dystans, a pozostałe promienniki
obsłużą najbliższe otoczenie. Jeżeli nie mamy modelu z wieloma antenami, nie zaszkodzi
zajrzeć do wnętrza jego obudowy. Być może znajdziemy tam gniazdo służące do podłączenia
zewnętrznej anteny. Zależnie od producenta jest ono oznaczane symbolem

IPEX lub U.FL

.

Przez otwór wentylacyjny wyprowadzimy wówczas na zewnątrz krótki kabel (tzw. pigtail)
służący do podłączenia anteny. Także wiele bezprzewodowych kart i urządzeń radiowych
wyposażonych w złącze USB pozwala skorzystać z dodatkowej anteny – podpina się ją do
gniazda

SMA

lub

RPSMA

.

Nieskomplikowana antena kierunkowa, której wymiary podamy dalej, została
zaprojektowana z myślą o pracy w paśmie 2,4 GHz zgodnie ze standardem IEEE 802.11b/g.
Wiekowe już stacje bazowe 802.11a działają na częstotliwości 5 GHz i wymagają anten o

innych wymiarach. Nie będziemy się jednak zajmować takimi modelami; osoby
zainteresowane standardem 802.11a odsyłamy do artykułu

Building a Wi-Fi Antenna Out of

a Tin Can

.

Co z urządzeniami WLAN 802.11n (Draft N)? Te również zajmują pasmo 2,4 GHz. Niestety, w
ich przypadku nasza antena raczej nie zadziała – access pointy tego typu stosują
kombinowany sygnał z kilku źródeł równocześnie. Chcąc przeprowadzić transmisję
kierunkową, będziemy musieli przełączyć się w tryb 802.11b/g.

Dozwolony poziom sygnału

Antena kierunkowa ma tę zaletę, że nie tylko precyzyjnie nadaje sygnał: poprawia także
parametry odbioru. Urządzenie poza wzmacnianiem fali wzdłuż wybranej osi pozwala
wytłumić sygnały nieosiowe i w ten sposób zapobiegać interferencjom z obcych źródeł. Jak
już jednak wspomnieliśmy, podczas nadawania należy zachować umiar.

Przestrzenna charakterystyka naszej anteny pokazuje zysk (ok. 8 dBi) w kierunku nadawania i
silne tłumienie sygnału w drugą stronę

W Polsce nadzorowaniem eteru zajmuje się Państwowa Agencja Radiokomunikacji (PAR), a
zgodnie z obowiązującymi normami tzw. efektywna izotropowa moc wypromieniowana

(EIRP)

nie może przekroczyć poziomu 20 dBm dla urządzeń działających w paśmie 2,4 GHz.

Oznacza to, że antenie kierunkowej nie wolno wypromieniowywać w żadnym kierunku
sygnału o mocy większej niż 100 miliwatów.

Moc wyjściowa modułów WLAN mieści się przeważnie w granicach 30–50 miliwatów; część
energii jest dodatkowo tracona podczas przesyłania do anteny. Z przeprowadzonych przez
nas pomiarów wynika, że wypromieniowany sygnał nie ma mocy większej niż 50 mW, czyli
mniejszą niż dopuszczalny poziom. Na wszelki wypadek przypominamy, że routery Wi-Fi
pozwalają sterować poziomem mocy. Po uruchomieniu anteny powinniśmy przynajmniej
przez jakiś czas posłuchać, czy sąsiedzi nie narzekają, że pogorszyły im się parametry
transmisji we własnych sieciach bezprzewodowych; w takiej sytuacji należy zredukować
poziom naszego sygnału.

Szukamy puszki

Za główny element konstrukcyjny naszej anteny może posłużyć

wszystko, co przewodzi prąd elektryczny – byle miało kształt walca, którego rozmiary
mieszczą się w pewnych (i to wcale nieostrych) granicach. Przejrzyjmy dom w poszukiwaniu
niepotrzebnych stojaków na szczotki do WC, zużytych opakowań po artykułach spożywczych,
puszek po konserwach itp. Wewnętrzna średnica takiego elementu powinna wynosić co
najmniej 84 milimetry i nie przekraczać 92 milimetrów (a nawet 111 milimetrów, o ile
pogodzimy się z nieco słabszymi właściwościami kierunkowymi oraz większymi stratami
sygnału). Do średnicy dopasujemy wysokość puszki. I znowu podczas jej przycinania nie
musimy zachowywać chirurgicznej precyzji: kilkumilimetrowa tolerancja jest akceptowalna.
Dobór optymalnych wymiarów ułatwi prosty

kalkulator

:

Przygotowaliśmy też tabelkę z wymiarami anteny odpowiadającymi typowym średnicom
puszek:

Dobierając obudowę, musimy oczywiście pamiętać o warunkach, w jakich przyjdzie działać
antenie – zwłaszcza o tym, czy będzie wystawiona na deszcz, śnieg i inne zjawiska

atmosferyczne. Poza tym puszka powinna być gładka; dotyczy to zwłaszcza denka.
Ewentualne karbowanie ścianki bocznej jest akceptowalne (choć niepożądane).

Otwory w obudowie nie przeszkadzają, o ile ich rozmiary nie przekraczają 6 centymetrów. Ta
wartość nie bierze się znikąd: połowa długości fali elektromagnetycznej o częstotliwości 2,4
GHz to właśnie około sześć centymetrów i przez sześciocentymetrowy otwór w obudowie
energia swobodnie "wyleje się" na zewnątrz. W efekcie stracimy i na mocy sygnału, i na jego
kierunkowości. W razie wątpliwości zawsze możemy załatać otwór jakimkolwiek kawałkiem
przewodnika (folią aluminiową, metalową blaszką itp.).

Złącze N, śruby (z płaskimi łbami), kawałek przewodu, nakrętki i podkładki: to poza puszką
wszystko

Pozostałe elementy i budowa

Po resztę materiałów wybierzemy się do sklepu ze sprzętem elektrycznym. Musimy kupić:



pięćdziesięcioomowe złącze N z kołnierzem;



kabel miedziany o przekroju 1,5 mm

2

;



cztery śruby o maksymalnej średnicy 3 mm wraz z nakrętkami;



podkładki pod nakrętki.

W tym zestawie najdroższe jest złącze: kosztuje około 15 złotych. Średnica żyły kabla nie
powinna być mniejsza niż 1 milimetr (najlepszy będzie więc przewód zasilający), tak aby
ciasno pasował do tulei złącza N. Śruby, za pomocą których przykręcimy złącze do
wewnętrznej ścianki puszki muszą mieć płaskie łby.

Budowa anteny nie powinna nastręczyć trudności. Odmierzamy od denka puszki odległość L

m

i staramy się wykonać jak najmniejszy otwór – taki, aby z trudem przecisnąć przezeń okrągły
cokół złącza N. Cztery kolejne otwory pozwolą przykręcić nam kołnierz złącza do puszki.

Z przewodu zasilającego zdejmujemy izolację i wlutowujemy go w tuleję złącza. Ten kawałek
miedzianego drutu będzie spełniał rolę promiennika – właśnie on stanie się tzw. anteną
ćwierćfalową, czyli mającą jedną czwartą długości nadawanej fali elektromagnetycznej.
Łatwo policzyć – dla częstotliwości 2,4 GHz promiennik od podstawy tulei złącza powinien
mierzyć 30 milimetrów. Najprościej będzie najpierw wlutować drut, a dopiero później go
przycinać. Zadbajmy, aby był w miarę prosty.

Teraz pozostaje nam umieścić promiennik wewnątrz puszki. Przydadzą nam się podkładki:
pozwolą wyrównać poziom cokołu złącza z wewnętrzną powierzchnią anteny. Musimy
jednak zadbać o zachowanie kontaktu elektrycznego między złączem a puszką. Jeśli ta
ostatnia jest pomalowana, usuńmy farbę w miejscach, w których podkładki będą stykać się z
anteną.

Po przykręceniu ostatniej śruby antena jest w zasadzie gotowa. Powinniśmy zastanowić się
nad montażem.

Jak nie zaprosić miliona woltów

Rzecz jasna antena kierunkowa musi byś w miarę precyzyjnie ustawiona. Dopóki zamierzamy
używać jej wewnątrz pomieszczeń, nie musimy się niczego obawiać: możemy przykleić
puszkę do jakiegokolwiek mebla albo umieścić na statywie. Sprawy komplikują się wtedy,
gdy chcemy ustawić całość poza mieszkaniem.

Tutaj obowiązują dwie zasady: jeśli wychodzimy z anteną na dach, nie wolno nam jej
umieszczać powyżej instalacji odgromowej. Przyjrzyjmy się talerzom do odbioru sygnału
satelitarnego: na dachach montuje się je zawsze poniżej szczytu kominów wentylacyjnych i
piorunochronów. Natomiast anteny na wysięgnikach naściennych nigdy nie znajdują się dalej
niż metr od ściany budynku.

Złamanie którejkolwiek z tych zasad wcale nie naraża nas na

uderzenie pioruna, tylko daje gwarancję, że przy pierwszej burzy piorun uderzy w antenę

.

Pomiary

Komora pomiarowa w Instytucie Inżynierii Mikrofalowej. Po

prawej stronie widać ruchomą antenę odbiorczą, a w środku nasze dzieło
W celu sprawdzenia, jak nasza antena sprawdza się w praktyce i do jakiego stopnia jest
odporna na błędy konstrukcyjne, udaliśmy się na uniwersytet w Hanowerze. Tam pracownicy
Instytutu Inżynierii Mikrofalowej pomogli nam wykonać kilka pomiarów. Przynieśliśmy ze
sobą dwa egzemplarze anteny. Pierwszą wykonaliśmy zachowując półmilimetrową
dokładność niemal wszystkich wymiarów – tylko promiennik z miedzianego drutu był o dwa
milimetry za długi. W drugim modelu umieściliśmy promiennik o milimetr zbyt blisko denka
puszki. Poza tym złącze N było przykręcone dwoma, a nie czterema śrubami; w efekcie
kontakt elektryczny był słabszy.

Wyniki testów ilustrujemy na dwóch rysunkach niżej. Okazuje się, że w porównaniu z anteną
idealną nasze celowo zdefektowane okazy wcale nie wypadły źle; były zaskakująco odporne
na błędy w wykonaniu – o ile zachowaliśmy odpowiednią średnicę i długość puszek:

Dwa wykresy pokazują różnice w zachowaniu anteny wzorcowej i modeli rzeczywistych.
Wyraźnie zauważymy, że częstotliwość rezonansowa egzemplarza ze zbyt długim
promiennikiem przesunęła się do 2,3 GHz (zmiany należało się zresztą spodziewać – nie
zachowaliśmy właściwego rozmiaru anteny ćwierćfalowej). W przypadku niewłaściwie
umieszczonego promiennika odnotowaliśmy z kolei słabsze tłumienie sygnału
promieniowanego w głąb anteny.

Naprawdę krytyczne okazują się rozmiary puszki – a zwłaszcza jej średnica. Tutaj urządzenie
o średnicy mniejszej niż 84 milimetry bądź większej niż 111,5 milimetra charakteryzuje się
nagłym spadkiem tłumienia sygnału wstecznego. W efekcie pojawiają się interferencje, a
promieniowana moc znacznie spada.

Średnica wewnętrzna ma znaczenie krytyczne. Zielone wartości są idealne, a żółte
tolerowalne. Tutaj odnotujeny niewielkie straty mocy sygnału. Natomiast w obszarze
pomarańczowym charakterystyka anteny jest beznadziejna: urządzenie zadziała albo nie

Ruszamy w teren

Laboratoria laboratoriami, a antena wymaga testów w warunkach polowych. Postanowiliśmy

Potęga stojaka na szczotkę: na dystansie jednego kilometra

uzyskaliśmy przepustowość przekraczającą 8 Mb/szestawić łącze radiowe na dystansie
jednego kilometra; końcówki miały się widzieć nawzajem. Później chcieliśmy połączyć się na
odległość 30 metrów wewnątrz biurowca i – siłą rzeczy – "na ślepo". Wybraliśmy dwa
routery WRT54G Linksysa, na których zainstalowaliśmy linuksowy system

OpenWRT

.

Parametry łącza sprawdzaliśmy za pomocą narzędzia

Iperf

, mierząc średni czas przesyłu dla

pięciu porcji danych o rozmiarze 128 kilobajtów transmitowanych w trybie półdupleksowym.
Routery i antena z puszki były połączone ze sobą za pomocą trzymetrowych kabli.

Wykorzystując standardowe anteny, nie udało nam się zestawić połączenia na dystansie
jednego kilometra. Wspominamy o tym z obowiązku, bo wcale nie oczekiwaliśmy, że nam się
uda. Łącze powstało po zastosowaniu w jednej z końcówek naszej blaszanej anteny. Iperf
stwierdził, że przepustowość wyniosła 2,3 Mb/s. Para anten kierunkowych pozwoliła
zwiększyć szybkość transmisji do 8,5 Mb/s.

Stawiamy jednak sprawę uczciwie: warunki transmisji były idealne (przypominamy o
zachowaniu kontaktu wzrokowego) choćby ze względu na ładną pogodę i nic nie zakłócało
tzw. pierwszej

strefy Fresnela

(czyli obszaru propagacji sygnału między nadajnikiem a

odbiornikiem). Gdybyśmy wyszli w plener podczas deszczu, wyniki byłyby inne.

W biurze istnienie niezakłóconej strefy Fresnela jest niemożliwe. Nawet na krótkim dystansie
wiele ścian przeszkadza sygnałowi, ale i tu osiągnęliśmy niezłe wyniki. Jedna antena
kierunkowa zapewniła szybkość transmisji 3,2 Mb/s; dwie – 7,1 Mb/s. Zapewne i to dałoby
się jeszcze poprawić dzięki skróceniu kabli łączących anteny z routerami.

Źródło:

http://www.trochetechniki.pl/Jak-zrobic-kierunkowa-antene-WLAN-z-

puszki,t,2145.html