Wlan-antenni 2.4 GHz, Tee se itse

Wlan-antennit

Itse rakennettu ulkoantenni alueelle 2.4 - 2.5 GHz.

Antenni on teholtaan samaa luokkaa kuin Freedom-antennipaketin mukana toimitettava paneliantenni. Vertailu on tehty ihan vain liittämällä samaan koneeseen Orinocon wlan-korttiin Freedom-paneliantenni ja tämä antenni ja seuraamalla Client Managerilla tasoja. Tämä antenni oli vahvistukseltaan pari desíbeliä parempi. Ja hinta on tietysti ihan toista luokkaa, ellei työtä lasketa. Noin 5 metrin antennikaapelilla ei Orinocon "punaisella" kortilla sallittu lähetysteho varmasti ylity. Jos antenni tulee ihan lyhyen kaapelin päähän, voi ohjeissa mainitun renkaan jättää pois, jolloin signaalitaso putoaa pari desibeliä.

Antennin rakentamisessa ehkä tarkin mitoitettava ja koottava osa on dipolin jalka. Sen juotoksissa tarvitaan suuritehoista kolvia ja osat pitää tukea juotoksen aikana, että raot pysyvät tasalevyisinä ja liitokset suoraan kulmaan.

Antennin mitoituksessa lähdetään aallonpituuden määrittelemisestä:
Kreikkalainen lambda on korvattu tässä L:llä.  L/mm = 300 / (f/GHz) eli 2.45 GHz:llä  L = 122 mm.

Antenni kuvassa ilman mastokiinnittimiä:
Suojakuvun kanssa                     Ilman suojakupua

Osien hankinnassa voi yrittää ensin penkoa äidin astiakaappia tai sitten suosiolla lähteä tavaratalon astiaosastolle. Heijastin rakentui alumiinisesta kakkuvuoasta, halkaisija about 2 x L eli 240 ..250 mm. Vuoka saa olla mahdollisimman tukevaa tekoa, pohjan ja seinien on oltava sileät, ei siis mitään profilointia. Sivuseinämä kohtisuorassa pohjaan nähden, ei siis kartiomainen. Itse löysin italo ottinetin alumiinivuoan code 140024 , jonka nurkat olivat pyöristetyt, mutta se ei tuntunut haittaavan. Sen sivukorkeus oli 60 mm, jonka lyhensin 32 mm:iin. Jos löytyy ruostumattomasta teräksestä tehty, se on varmaan vielä parempi. Suojakansi mikrokuvusta, joka sopivan nihkeästi mahtuu vuoan päälle.

Muita osia:
Kupariputkea, sisähalkaisija 10 mm, tarvitaan alle 40 mm
Messinkitankoa tai -putkea, ulkohalkaisija 4-4,5 mm, tarvitaan alle 40 mm
Kuparilankaa, esim. emaloitua, halkaisija 2 mm, tarvitaan alle 70 mm
N-runkoliitin
Pari palaa tinattua teräslevyä, esim. säilykepurkista
Sähköjohtoa ML 1,5,      3 mm ruuveja ja muttereita, tinaa yms.
 

Antennin rakenne:

Heijastin (alumiinivuoka), halkaisija L x 2, reunojen korkeus L / 4.

Keskellä pohjaa N-liitin vasemmalla ja dipoli oikealla. Dipolin etäisyydeksi pohjasta tulee vähän yli L / 4. Dipolin kiinnityksen muodostaa 50 ohmin ja L/4 pituinen ilmaeristeinen koaksiaalityyppinen jalka, jonka sisäjohto on 4 mm tanko tai putki ja ulkovaippa halkaistu kupariputki, sisämitaltaan 10 mm.
Dipolista oikealle jälleen L/4 etäisyydellä siitä tulee alumiinilevystä tai tinatusta peltistä leikattu kiekko, jonka halkaisija on L x 0.4 eli 49 mm.

Samalla etäisyydellä dipolista on myös rengas, joka on tehty muovipäällysteisestä kuparilangasta (ML 1,5) taivuttamalla se halkaisijaltaan noin L x 2 renkaaksi. En tehnyt tästä renkaasta täysin suljettua, vaan jätin millin raon. Kokeilujeni mukaan yhtä hyvin rengas voi olla suljettu, eikä se muovipäällys siinä mitään merkitse, koko renkaan voi tehdä vaikka 2 mm paksusta kuparilangasta.

Kiekon ja renkaan kiinnitin suojakotelona toimivaan mikrokupuun. Kiekon kiinnittämiseksi liimasin mikrokuvun keskiöön ensin pienen muovilevyn palan. Renkaan kiinnitin liimaamalla kuvun sisäpuolelle. Tällöin renkaan halkaisijaksi ei tullut ihan L/4. Sopivan muovimateriaalin valinta, katso mikroaaltotestaus .
 

Rakentaminen:
 

Alumiinivuoan reunojen korkeus tulee olla L/4 eli 31 mm. Sopivaa tuskin löytyy, joten reunoista sahataan pois liika korkeus. Vuoan pohjan keskelle tulee reikä 12 mm ja neljä 3,5 mm reikää N-liittimen mukaisesti. N-liitin siis kuvassa vasemmalle päin ja oikelle päin tulee dipolin kiinnitysjalka. Se muodostuu halkaistusta kupariputkesta ja sen sisälle tulevasta tangosta tai putkesta. Yhdistelmän impedanssi tulee olla 50 ohmia. Impedanssi määräytyy ulkoputken sisähalkaisijan ja sisäputken ulkohalkaisijan suhteesta, joka tulee olla 2.3. Se on riittävän tarkka, jos sisätanko/putki on päältä 4-4.5 mm (optimi 4,3 mm) ja kupariputki 10 mm sisältä. Impedanssi halkaisijoiden suhteen funktiona on yhtälönä: Z = 138 * Log(D/d)
 

Impedanssi ja halkaisijoiden suhde
D = ulkoputken sisähalkaisija
d = sisätangon ulkohalkaisija Z = impedanssi ilmassa

D / d	Z / Ohm
2,2	47,3
2,3	50
2,4	52,5
2,5	54,9

Jos sisus on tankoa, porataan sen toiseen päähän aksiaalisuuntaisesti 3 mm reikä niin, että tanko saadaan juotettua tukevasti ja suoraan N-liittimen keskitappiin. Tangon pituudeksi tulee noin L/4, mutta tässä vaiheessa sen kannattaa jättää pidemmäksi ja sahata vasta sitten, kun osat on alustavasti koottu.

Kupariputki siis halkaistaan tarkasti rautasahalla ja viilaillaan jäysteet pois. Sitten tämä halkaistu putki pitäisi saada kiinni toisesta päästä alumiinivuoan keskelle. Juottaminen ei siihen onnistu, joten tehdään esim. tinatusta teräspellistä samankokoinen pala kuin N-liittimen laippa, porataan keskelle kupariputken ulkomittaa vastaava reikä (12 mm) ja neljä 3,5 mm reikää samoihin kohtiin kuin N-liittimessä. Tähän peltiin sitten halkaistu kupariputki juotetaan toisesta päästä; juotoksen aikana tuetaan puoliskot niin, että rako on 1-1.5 mm.

Kupariputken pituus sahataan niin, että tämän raon pituudeksi tulee L/4 eli 31 mm.  Tästä kupariputkesta on siten tehty äänirautaa muistuttava tekele (joka muuten jopa soi, kun sitä nappaa). Tavallaan siinä muuten onkin ääniraudan kanssa samaa ideaa, että se välittää dipolin toisesta haarasta signaalin keskitappiin yhdistettyyn toiseen haaraan. Mutta tästä myöhemmin. Tarkin kohta koko antennin teossa on tämä kupariputken puoliskojen välisen raon pituus, että se on laipasta dipoliin mitattuna tarkalleen L/4. Se muodostaa myös kaistanpäästösuodattimen, joka vaimentaa muita taajuuksia.

Kootaan tähän asti tehdyt osat nyt alustavasti paikoilleen. N-liitin ja tämä kupariputken päähän juotettu laippa kiristetetään alumiinipohjan eri puolille neljällä M3 ruuvilla kuvan mukaisesti. Nyt voidaan N-liittimen keskitappiin juotettu sisustanko/putki katkaista samaan mittaan kupariputken kanssa.

Dipolin tein 2 mm emaloidusta kuparilangasta. Tuskin se emalointi siinä mitään silti vaikuttaa. Dipolin toinen haara juotetaan sekä keskitankoon että kupariputken puoliskoon. Dipolin toinen haara juotetaan pelkästään kupariputken toiseen puoliskoon. Dipoli katkaistaan L/4 päästä keskipisteestä, siis dipolista tulee päästä päähän L/2 eli 61 mm mittainen. Ennen dipolin juottamista viilataan kupariputken puoliskoihin ja keskitankoon urat, joihin 2 mm lanka saadaan tukevasti juotettua. Toinen tukevampi tapa on jättää kupariputki ja keskitanko pari milliä pidemmäksi ja porata pienet 2 mm reiät dipolin kiinnitystä varten.

Dipolista oikealle tuleva kiekko ja samalla etäisyydellä oleva rengas onkin jo käsitelty edellä.

Suojakupuna oleva mikrokupu asennetaan alumiinivuoan päälle. Sen etäisyys on tärkeä, koska siihen on kiinntetty antennin elementteihin kuuluvat kiekko ja rengas. Lukitsin suojakuvun kolmella pienellä ruuvilla ja laitoin saumaan silikonimassaa. Kuvussa oli höyryreikä, joka piti tukkia.

Kondenssivesien poistamiseksi porataan alumiinivuoan alimpaan pisteeseen pieni reikä. Vaikka koteloinnista tekisi kuinka tiiviin, aiheuttaa lämpötilanvaihtelut veden tiivistymistä kotelon sisällä.

N-liittimen liitos alumiinipohjaan tiivistetään myös silikonimassalla

Usein kysyttyjä detaljeja
Tärkein mitta koko antennissa on raon pituus, joka tulee olla  31 mm @2.45 GHz. Raon leveyden optimia en tiedä. Itse tein sen rautasahalla panemalla kaksi sahanterää rinnakkain, jolloin raoksi tuli n. 1,5 mm.	Kyllä! Toinen dipolin haaroista juotetaan sekä ulkoputkeen (1) että sisätankoon (2). Toinen haaroista juotetaan vain ulkoputkeen (3). Tämä ei merkitse "oikosulkua". Muista, että tässä ei kulje tasavirta vaan suuri taajuus! Katso: Impedanssimuunnoksen erikoistapauksia

Antennin kiinnitys

Kiinnitys voidaan tehdä ns. pakoputkiklemmareilla, joiden kierteisiin ruuvataan jatkomutterit.. Sitten uppokantaisilla ruuveilla antennin sisäpuolelta pohjan läpi kiinni..
Klemmarien paikka ei saa olla antennin keskilinjalla, muuten mastoputki tulee kaapeliliittimen eteen.. Yllä oikeanpuolisin kuva on antennin takaa. Nuo jatkomutterit laitoin sen takia, kun tavalliset pakoputkiklemmarit ovat niin lyhyet, että ylimääräisen mutterin lisääminen pienensi aukkoa niin, ettei antennimasto mahtunut.

Antenni asennetaan kuvissa olevaan asentoon, siis dipolin haarat ylös/alas-suuntaisena ja dipoli suunnataan tukiasemaan.

Antennin asensin omakotitalon katolle sijoitettuun antenniputkeen, jolloin antenni tuli katosta noin 3 m korkeudelle. Ukkossuojauksen takia on välttämätöntä, että antenniputki ja siten myös antenni maadoitetetaan tukevasti esim. vetämällä 16 mm2 kupariköysi mahdollisimman suoraa reittiä maahan tehtyyn maadoituselektrodiin. Maadoituselektrodiksi nuijin jäykkää kupariputkea pari metriä pystysuoraan maan sisään.

Jos antennin voi sijoittaa sisätiloihin ikkunan taakse tai sitten ulkoseinälle, ei ukkossuojauksesta varmaankaan tarvitse murehtia.

Liittäminen

Jos on pitkä kaapeli, kuten minulla 12 m, on erityisen tarkkaa, mitä kaapelia käyttää. Erinomainen hinta/laatusuhde ainakin on kaapelilla H1000, joka on Elfa lla tuotenumero 55-914-25. Se on paksua ja jäykähköä, mutta vaimennus on erittäin pieni, 12 metrin matkalla putosi signaali 2-3 dB, kun jollakin halvalla RG58 -kaapelilla se putosi yli 20 dB eli oli täysin käyttökelvoton.

Katso myös kaapeloinnin detaljisivu.

Antennissa liittimen asento ei ole paras mahdollinen jäykkää kaapelia ajatellen. Kaapelin kun joutuu taivuttamaan vaaka-asennosta kauniissa kaaressa alaspäin.

Liittiminä käytetään 50 ohmin N-liittimiä. Vaikka niissä on tiivisteet, ei niiden varaan voi tiiviyttä jättää. Liitoksien päälle kannattaa kiertää itsevulkanoituvaa teippiä ja vielä peittää se mustalla sähköteipillä tai kutistesukalla, ettei auringonvalo haurastuta sitä vulkanoituvaa teippiä.

Jos wlan-korttina on Orinoco, tarvitaan kortin päässä adapteri, jota ei pysty itse rakentamaan, koska kortilla oleva liitin on Orinocon oma eikä siihen sopivaa pistoketta löydy markkinoilta.

Kokemuksia

Antenni on minulla 750 m päässä tukiasemasta. Välissä on rakennuksia ja puita, joten näköyhteyttä ei ole. Kartasta vain katsoin suunnan antennille. Suuntaus ei ole kovin herkkä, varmaan +- 15 ° saa kiertää eikä lukemat huonone.

Orinocon Client Managerin Link Testillä katsottuna vaihtelee signaalitasot näissä olosuhteissa säästä riippuen välillä -84 ja  -88 dBm. Signal/noise eli S/N on 12-16 dB. Vaikka Client Manager ilmoittaa: "Signal marginal" ja palkin väri ei juuri koskaan yllä vihreälle, huitelee Link Test lähes 100%:sti 11 Mbs nopeudella eikä paketteja häviä.
 

Jatkokehittely

Mielessäni on ollut kokeilla mallia, jossa alumiinivuoan reunoja ei madalletakaan L/4 mittaiseksi vaan L/2 mittaiseksi ja jätetään se rengas pois. Tuskin se paremmaksi tulisi, mutta jos ei huonommaksi, niin olisi jotain työvaiheita vähemmän.

Olen saanut palautetta tällaisesta toteutuksesta, joka on toiminut hyvin. Vertailua mallien välillä ei vielä ole.
 
 

Lähteet:

Antennin rakenne perustuu sivulta http://6mt.com/2304tech.htm   löytyvään ohjeeseen:
MICROWAVE ANTENNA YOU CAN BUILD (73 10-82) c56.zip
Sen olen sitten mitoitettanut 2.4 GHz kaistalle ja lisännyt suojakoteloinnin ja renkaan, joka lisäsi antennivahvistusta 2-3 dB.
 

Martti Palomäki
Ilmajoki