Делаем внешнюю всенаправленную антенну WiFi своими руками

    Итак, нам нужна внешняя антенна для точки доступа 802.11b на которую будут ориентированны направленные антенны всех остальных пользователей беспрововодной сети (WLAN). Эта антенна должна будет принимать и передавать сигналы во все стороны, чтоб доступ к сети имелся с любого направления, т.е. должна иметь круговую диаграмму направленности. Иными словами, нам нужна внешняя всенаправленная антенна WiFi. Конечно есть заводские решения на этот счёт но стоят они бешеных денег, например, вот эта антенна ANT24-1500 стоит 175 у.е.

    И вообще дурят нашего брата и не только в этой сфере, себестоимость этих изделий копейки! Поэтому мы сделаем антенну сами и работать она будет не хуже заводских так как законы радиотехники одни для всех и здесь всё будет упираться лишь в точность и качество изготовления.
    Наша антенна WiFi будет представлять собой классическую штыревую антенну с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, называемую радиолюбителями Ground Plane пересчитанную на нужный нам диапазон 2.440 Мгц. Антенна представляет собой, штырь длинной в четверть длинны волны c противовесами той же длинны, расположенными под 135° относительно штыря.

Рис. 3

    Почему именно 135°? Потому что лишь при этих параметрах наша антенна будит иметь волновое сопротивление 50 ом и будит согласована с питающим её 50 омным кабелем. Вот как меняется волновое сопротивление при изменении этого угла.

Рис. 4

    При рассогласовании антенны с кабелем не вся подходящая к антенне энергия будит излучаться ей т.е здесь надо будет соблюсти точность изготовления. Длина штыря, для середины нашего диапазона 2,440 МГц, будит равна 27.95 мм ( 28 мм округлённое), длина противовесов будет равна 30.72 мм ( 31 мм округлённое). Расчёты коэф укорочения можно найти тут

Рис. 5

    Почему штырь короче противовесов? Здесь мы соблюдаем такое радиотехническое правило как коэффициент укорочения, так как длинна радиоволны в различных средах разная. Для нашей антенны при диаметре штыря 2.28 мм он будет равен 0.91. Размеры штыря и противовесов желательно выдержать точнее насколько это возможно от этого также зависит волновое сопротивление антенны. Стараться надо в плоть до долей миллиметра, так как на этих частотах антенна очень маленькая и даже пара миллиметров несоответствия размерам сильно нарушает соответствие длины штыря четверти длины волны. Количество противовесов желательно сделать не менее 12 ти а ещё лучше вырезать конус из медной фольги. Статья о количестве противовесов здесь

Практическое исполнение

    Всенаправленная антенна WiFi выполняется путём освобождения центральной жилы питающего кабеля от оплётки с учётом нужной длинны штыря.

Рис. 6

    Противовесы изготовлены из скрученной и отведенной на нужный угол оплётки того же кабеля. Срезаем верхний покров кабеля по уровню 31 мм, отводим оплётку и укорачиваем штырь до 28 мм. Залуживаем паяльником кончик штыря чтоб проводки центральной жилы не разошлись и снимаем изоляцию с центральной жилы, так как если её оставить, нужно будет пересчитать коэффициент укорочения с учётом её влияния. Всё это необходимо герметично закрыть в пластмассовую коробочку так чтоб не проникал даже свежий воздух.

Рис. 7

    А вот как это делают умельцы за бугром. Полная статья с машинным переводом здесь

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

    Во-первых, только на разъеме здесь теряется около 2 дб у нас же его просто нет, во-вторых, не учтён коэффициент укорочения, в-третьих, форма самого коннектора искажает форму теоретически правильной антенны этого типа.

Выбор кабеля.

    Так как радиочастотный выход всех точек доступа обычно имеет сопротивление 50 Ом то особого выбора у нас нет - кабель должен быть волновым сопротивлением 50 ом. Ну конечно же нам идеально подошел бы кабель типа Н-1000 фирмы Belden с затуханием 0.22 дб/метр, но таких денег у нас нет. Поэтому можно выбрать более дешёвый и доступный РК-50-7-11 с затуханием на наших частотах примерно 0.6 дб. Естественно, он должен быть без стыков и повреждений, желательно новый. Инфо по характеристикам кабелей здесь.

Соединяем кабель с точкой доступа дешево и сердито.

    Обычно все соединения в этом деле делаются с помощью специальных разъемов.

     
Рис. 11

   
Рис. 12

    Но мы не используем это по известным причинам. Вместо этого берём плоскогубцы и без капли сожаления ломаем штатную комнатную антенну WiFi от точки доступа примерно в 2-х сантиметрах от изгибающегося колена антенны.

Рис. 13

    Осторожно, внутри идёт тонкий кабелёк, он нам ещё пригодится. Вытаскиваете его вместе с реальной антенной расположенной внутри этого корпуса.

Рис. 14

    Вот она какая. Кстати, она описана на рис. 4, только чтоб снизить сопротивление её до 50 Ом, они укоротили её до 26 мм сделав тем самым её менее эффективной чем четверть волновая антенна.

Рис. 15

    Отпаиваем кабелёк у основания штыря антенны, вытаскиваем его из трубки и режем в этом месте. Затем освобождаем примерно сантиметр центральной жилы от оплётки, распушив её и отогнув назад. Далее освобождаем примерно 4 мм центральной жилы от изоляции и залуживаем паяльником этот конец. Теперь берём большой кабель, срезаем где-то сантиметр наружной оболочки, отводим назад оплётку и придаём внутренней изоляции вид конуса. Затем иголкой пытаемся проделать отверстие между проводками жилы глубиной 4 мм, желательно ближе к центру жилы.

Рис. 16

    В это отверстие мы и воткнём жилу маленького кабелька.

Рис. 17

    А затем маленькой капелькой олова с канифолью пайнём обе жилы. Место спайки заливаем расплавленным материалом изоляции центральной жилы от какого-нибудь ненужного кусочка такого же кабеля. Далее соединяем оплётки обоих кабелей со всех сторон равномерно и спаиваем так чтоб не было щелей, можно добавить для этого ещё медных волосков и олова или применить медную фольгу. Затем заматываем всё это изолентой и получаем вот это.

Рис. 18

    При всей топорности и неаккуратности изделия, которое я смастерил всё работает на расстоянии 90 м с уровнем сигнала 61% на полной скорости 11 мбит/с.

Рис. 19

    Если учесть, что длина моего кабеля около 8-ми метров и у товарища на том конце метров 12 такого же кабеля с такими же соединениями, питающего простую не доведенную до ума баночную антенну, то я считаю это очень даже неплохо.
    По истечении года я приобрёл смарт nokia n95 с поддержкой wi-fi и смог произвести новые замеры.
    Итак, точка доступа таже с мощностью 15dBm, т.е. 31.6 милливат , wi-fi модуль nokia n95 имеет мощность 100 милливатт, но это не важно, так как дальность связи определит самое маломощное устройство в системе, т.е. на том растоянии где ТД услышит нокию, нокия уже не услышит ТД из-за меньшей её мощности. Антенны WiFi в обоих случаях ненаправленные: на ТД всё тоже, что описано выше, а на нокии её встроенная антенна. По показаниям gps я определял растояния с точностью до пары метров. Отойдя на расстояние 1100 метров

Рис. 20

связь всё ещё была устойчивой. C HTTP сервера всё качалось без срывов выход в интернет шёл нормально, хотя и скорость была уже минимальной 1 мегабит сек. На растоянии 1200 метров связь уже сильно рвалась работать было невозможно. При ипользовании более мощных ТД, таких как DWL-2100AP возможно будет связь на большее расстояние.
    Август 2008 купил DWL 2100 AP разместил в герметичной коробке на крыше, антенна штатная, мощность поднял до 100 милливат. Мощность wi-fi модуля на n95 выставленна 100 млливат.

Рис. 21

    В итоге 2000 метров уровень сигнала по шкале nokia n95составил 49% приём и передача на полной скорости без срывов.

Рис. 22

    2300 метров 38% приём и передача нормальные без срывов выход в интернет стабильный.

Рис. 23

    Во всех случаях была прямая видимость и без всяких направленных антенн. Хотя у меня есть подозрение, что в нокии антенна имеет некоторую направленность, хотя и не ярко выраженную - она немного лучше ловит в положении вертикальном левой стороной к источнику сигнала. Конечно же связь будет хорошей не в любом месте где включил телефон обычно на бугорках связь лучше в низинках может пропадать на 0. Если на отметках до 1000 м места с хорошей связью встречаются через каждые 2 или 3 метра то на отметках более 2100 метров участки с хорошим сигналом встречаются через несколько десятков метров. Последнее место где удалось зарегистрировать сигнал вообще это была отметка 2548 метров конечно о качестве связи там немогло быть и речи. Далее необходимы уже направленные антенны WiFi.