TRABAJO PRÁCTICO FINAL:

“Antena Wifi de cuarto de onda”

Alumno: BEJANUEL, AgustínMateria: Medios de transmisiónUniversidad Nacional de Mar del PlataFacultad de IngenieríaAño 2014

Introducción:

Se construirá una antena de cuarto de onda de forma cilíndrica, de tipo direccional a partir de materiales que en su mayoría se suelen encontrar en una casa.

Se medirán los resultados mediante computadoras, y a estos se los compararán con los de las antenas comerciales.

Construcción:

La antena tendrá la siguiente forma:

FIGURA 1

y las siguientes medidas:

FIGURA 2

Materiales necesarios:

Un cilindro metálico (por ejemplo, los empaques de algunas bebidas alcohólicas).

Una ficha BNC hembra de tipo montaje. Una agujereadora, o taladro. Una mecha de 10 mm para metal. Una regla milimetrada. Un calibre. Un punzón. Un marcador indeleble. Un martillo. Un soldador de estaño. 2 cm de estaño.

Procedimiento:

Como lo que se esta realizando es una antena receptora de señal wifi, se tiene en cuenta que dicha señal opera a una frecuencia de 2.4 Ghz.A partir de la expresión λ (longitud de onda) = v (velocidad de propagación)/f (frecuencia), tomando el valor de frecuencia anteriormente mencionado, y a la velocidad de propagacion como la velocidad de propagación de la luz en el vacio (Co= 3.10^8 m/s) se obtiene:

λ=(3.10^8 m/s)/(2.4 Ghz)= 12,5 cm

Lo que implica, que un cuarto de la longitud de onda (λ/4)=3.125 cm.

En la figura 1 se observa que el centro de la ficha y la tapa o lado inferior de la antena deben distar un cuarto de la longitud de onda, es decir, 3.125 cm.Para que en la práctica, esta distancia sea lo mas exacta posible, se hace uso de la regla y el calibre de la siguiente manera:

Utilizando el calibre en modo profundidades, se mide la distancia entre el piso del cilindro y el borde exterior del mismo.

Una vez adquirida dicha medida (x1= “a” cm), se procede a marcar el siguiente punto:

Midiendo con regla milimetrada desde el fondo del cilindro, se marca con fibra indeleble el punto P1=3.125 cm + “a” cm.

De esta manera el punto P1 distará de la tapa

del cilindro (en un empaque de bebida alcohólica, la tapa a la cual se hace referencia, es la tapa no extraible) 3.125 cm como se pretendía.

Con un punzón y un martillo, se marca el punto anteriormente marcado con fibra indeleble. Esto le sirve como guía a la mecha al realizar el agujero.

Antes de realizar el agujero, se mide con el calibre el diametro de la ficha BNC.

Se obtiene que el resultado de esta última medición es de aproximadamente 9 mm. Como la ficha debe ingresar en el cilindro, el agujero en este debe ser mayor a 9mm, pero de medida similar, de manera tal que pueda ser ajustado.

Con una mecha para metales de 10 mm se obtiene el resultado deseado.

De esta manera, colocando la mecha en la agujereadora o taladro, se agujerea el cilindro tomando como punto referencia a P1, tratando de no abollarlo al realizar el agujero.

Una vez realizado el agujero, se debe extraer o limar el excedente de metal que quede en el interior de la lata cilíndrica (de lo contrario no se podrá ajustar la ficha BNC).

Luego se toma un alambre recto de longitud λ/4 (3.125 cm) y se lo suelda con estaño a la parte trasera de la ficha BNC.

Finalmente se introduce el arreglo ficha-alambre en el agujero de la lata, y se lo ajusta interiormente con una llave o pinza.

Resultando como vista exterior de la antena:

y como vista interior:

De esta sencilla manera, la antena queda lista para ser utilizada.

Fundamentación teórica:

Según el autor Kraus, en su libro “Electromagnetismo” (1976), una antena puede ser definida como el espacio intermedio entre una onda guiada y el espacio libre (antena transmisora), o como el espacio intermedio entre el espacio libre y la onda guiada (antena receptora).

Existen distintos tipos y formas de antenas. Según su forma una antena puede ser parabólica, cilíndrica, de yagi, etc. Según la manera en que radia señal (o recibe) una antena puede ser isotrópica (físicamente irrealizables) o no isotrópica (direccional).Aunque parezcan dos parámetros independientes, la forma física de la antena esta relacionada directamente con la manera en que esta emitirá o recibirá señales (potencia).

La directividad de una antena (D) esta dada por

D= 4π/φ

Siendo φ el angulo sólido en que radia o recibe la antena.

La directividad mide la relación entre la intensidad de una antena en dirección de su máximo y la intensidad de una antena isotrópica que radia con la misma potencia total.

Como en una antena isotrópica se radia potencia de igual manera en todas las direcciones, el ángulo sólido φ de este tipo de antenas es 4π. En efecto, la directividad es 1. Para las antenas físicamente realizables, se cumple que φ varía entre 0 y 4π, nunca llegando a ninguno de los dos valores

mencionados. De esta manera la directividad de una antena direccional siempre es mayor que 1.

La directividad en una antena, es un parámetro de suma importancia debido a que está relacionado linealmente con la ganancia en veces de la misma

Ganancia= K.D

Siendo K una constante que depende del medio de propagación y las características físicas de la antena.

Es decir una antena con alta directividad posee la ventaja de tener altas ganancias en direcciones cercanas a sus máximos de transmisión (relacionado con el ángulo φ), y la desventaja de poseer limitadas direcciones transmisión.

A la hora de elegir una antena debe tenerse en cuenta cual será su uso, y así poder escoger entre antenas con menor o mayor directividad.

Analizando la antena realizada (figura 3), se observa que el ángulo α, relacionado con el ángulo sólido φ (α es en dos dimensiones, φ en tres) es muy pequeño respecto al angulo de una circunferencia (2π) con centro en el punto de radiación de la antena (en este caso de recepción), y en efecto φ es muy pequeño respecto al ángulo de la esfera (4π) centrado en el mismo punto.

FIGURA 3

Esto implica que será una antena de alta directividad, y buena ganancia en dirección de su máximo.

Para utilizarla debemos orientarla en dirección al transmisor de señal wifi (Modem, router, celular, etc).Se notará que orientándola en otra dirección, la señal recibida es muy pobre, confirmando la hipótesis de la alta directividad de la antena construida.

Según distintos foros, y sitios en Internet, la ganancia de esta antena ronda entre los 8 y 12 dBi (Decibelio isotrópico: unidad de medida utilizada usualmente para medir ganancia de antenas)

¿Por qué o para qué la ficha debe estar a λ/4 de la tapa?

Que el centro de la ficha BNC y la tapa inferior del cilindro disten λ/4, no es un dato aleatorio. Esto se hace para aumentar la intensidad de la señal recibida. Considerando un seno de amplitud unitaria, se analiza la siguiente figura.

FIGURA 4

Como el cilindro es metálico, y la tapa cerrada fija también lo es, la señal se reflejara en la misma (en contrafase a la señal incidente). Esta onda reflejada contribuirá a aumentar o disminuir la señal total, dependiendo del punto que se considere. En el punto que dista λ/4 de la tapa, la intensidad de la onda reflejada será igual a la de la onda incidente, en tanto la intensidad de la onda total será 2 veces la de la incidente (en ese punto). De esta manera

colocando la ficha justo en ese punto, se obtiene una ganancia mayor que en otros puntos.

Mediciones:

Se midió en distintas antenas la intensidad porcentual de señal wifi recibida, proveniente de un emisor colocado a aproximadamente 10 metros.

TIPO DE ANTENA SEÑAL RECIBIDA Antena de 3 dBi OMNI 72%Antena de 7 dBi OMNI 84%Antena del mismo tipo que la realizada

87%

Antena realizada 88%Antena de 16 dBi YAGI 95%

Como la ganancia estimativa de la antena realizada es de entre 8 y 12 dBi, se esperaba que la ganancia porcentual sea mayor que la de 7 dBi, y menor que la de 16 dBi.

En efecto, las mediciones arrojaron datos satisfactorios.

Conclusión:

Considerando los precios actuales de las antenas comerciales:

3 dbi aproximadamente $1807 dbi aproximadamente $300 16 dbi aproximadamente $1600

La relación costo-esfuerzo/beneficio resulta mas que positiva en la antena realizada, teniendo en cuenta que la mayoría de los elementos utilizados no necesariamente deben ser comprados, (usulamente solo habría que comprar la ficha BNC, de costo aproximado de $10) y que el tiempo de montaje y realización no supera las 2 o 3 horas.

Además, práctica y técnicamente, la antena cumplió con las características que eran esperadas a priori, por tanto su realización fue exitosa y satisfactoria.

Fuentes:

Libro “Electromagnetismo”, Kraus, 1976. Libro “Fundamentos de aplicaciones en

electromagnetismo”, Fawwaz T. Ulaby, 2007.

www.wikipedia.com/antenas.html http://zaratewillkabolivia.blogspot.com.ar