Index Mapa del Sitio Búsqueda Avanzada
search engine by freefind

Principal Arriba

Fabricación de una antena helicoidal de 2.425GHz

Para dispositivos inalámbricos
en la banda ISM (Datos Ethernet 802.11 - Televisión

PAGINA EN CONSTRUCCION-REVISIÓN

Traducción y adaptación de la página http://users.bigpond.net.au/jhecker/
Traducción original: Inco
Revisión: Paul Salazar Mora
Revisión: Daniel Martínez Ponce (DMescal)
Revisión 2007: G. Descalzo

Nota: Aparentemente las plantillas a las que se hace referencia no son correctas, con lo que es mejor hacer unas nuevas con el programa HelixCalc.

Introducción:

El Grupo de Usuarios de Linux de Canberra se ha embarcado en un proyecto de creación de una red inalámbrica. Parte de la existencia de este experimento se debe a la compra, a precio de saldo, de un gran número de tarjetas "Lucent WaveLAN", que fueron reemplazadas por las tarjetas del standard 802.11. Las tarjetas resultaron baratas, pero las antenas "tile" que venían con ellas no eran buenas para conexiones de larga distancia, no llegando más allá de unos cientos de metros (con suerte!!!). Además, las antenas comerciales que podían utilizarse para realizar el trabajo eran caras, más bien grandes, y antiestéticas, especialmente las "conifers".  
La antena se deriva de la información del libro de antenas helicoidales "ARRL Antenna Book" 
 
Así las cosas, no hay ninguna razón por la que esta antena helicoidal que se describe aquí no pueda ser utilizada con cualquier otro equipo de la banda de los 2.4 GHz, tales como las nuevas tarjetas inalámbricas del tipo 802.11, o como emisora-receptora de vídeo para cohetes en vuelo. De hecho, e
n un cohete, el uso en tierra de una antena receptora de este tipo evita problemas de polarizazión y brinda un EXCELENTE funcionamiento.

Piezas necesarias:

Para construir una antena es necesario obtener:

1 pza de 0.60 metros de tubo de PVC de 40 mm del que se utiliza en desagües. En el original se habla de que tenga 40mm de diámetro en el interior y unos 42- 43 mm en el exterior
1 tapa de 40mm de PVC. ( tapón  para el tubo de PVC que compres ).
1 tapa de 150 mm de PVC (o una pieza de plástico grueso o madera de similares dimensiones). Los tapones de tuberías de PVC grandes pueden servir.
2 Abrazaderas en U de 25 o 35 mm (también llamado pernos en U, el tamaño de los mismos no importa demasiado, sirven para sujetar la antena a un mástil, así que para uso "en mano" no hay que ponerlos obligatoriamente)
8 tuercas y 8 arandelas más para las abrazaderas anteriores.
0.7 mm de grosor de tamaño suficiente como para cortar un círculo de 130 mm de diámetro o una pieza apropiada de aluminio o similar de una lata de galletas. Si se usan hojas de aluminio no deben ser demasiado delgadas, porque si son demasiado finas se estropean cuando se las taladra o corta.
1 hoja de metal de 0.4 mm.(aunque no sea del mismo grosor, se puede utilizar un retazo de la tapa o del fondo de la lata que se empleó para hacer el circulo anterior).
Varios metros de cable de cobre esmaltado de 1 mm de diámetro (puede ser mayor diámetro pero no menor).
Un conector tipo N de montaje en panel (es adecuado uno de esos conectores a rosca que tienen una base cuadrada con cuatro agujeros para sujetarlo con tornillos).
3 tornillos, tuercas y arandelas para sujetar el conector tipo N.
1 tornillo, 1 tuerca y arandelas, para unir el tapón grande la chapa circular y el tapón pequeño. (El tamaño del tornillo no importa, pero como consejo es bueno emplear un tornillo de cabeza redonda, porque si se usan los pernos en U, el tornillo no molesta al sujetar la antena a un mástil).
Araldit o Poxipol de secado lento (pegamento de dos componentes). También sirve pegamento de PVC normal, pero a la hora de pegar el tubo al tapón pequeño brinda muy poco tiempo para escuadrar todo, porque este pegamento en cuestión de 1-2 min se endurece.
Loctite 424 o similar ("Superglue", también sirve una pistola de pegamento termofusible).
Sellador de silicona.
Cinta adhesiva.

Herramientas Necesarias:

Sierra para metales
Lija del numero 5 para madera (también sirve una lima pero hay que ser hábil con ella, en cambio con la lija se la deja sobre la mesa y se roza el tubo sobre ella ;)
Una escuadra de carpintero para medir ángulos rectos.
Cortador de cables.
Llaves apropiadas para las tuercas utilizadas.
Un destornillador Philips para los tornillos del conector tipo N.
Un taladro
Un juego de brocas para hacer agujeros (desde pequeños a muy grandes).
Tijeras de hojalatero.
Cutter.

Los tapones para PVC de 40 milímetros tienen que tener la base completamente plana (los hay de base plana y otros con base abombada). Hay también algún tipo de estos tapones que en el centro, por la parte interior, tienen partes de plástico que pueden molestar a la hora de poner una tuerca.

Construcción:

Imprime y recorta las plantillas que hay en el fichero de plantillas circle.pdf y rhspiral.pdf  o  lhspiral.pdf. Deberás utilizar la plantilla de rhspiral para antenas con espiral hacia la derecha y lhspiral para antenas con espiral hacia la izquierda. Necesitarás la plantilla circular para hacer el plano de tierra (reflector), a no ser que puedas trazar un buen círculo de 130 mm de diámetro con una regla o un compás.

Actualización: descarga HelixCalc de la sección de teoría para poder diseñar tus propias plantillas

También te las puedes hacer a mano:

·        Para la plantilla del tubo, imprimes una, mides el perímetro del tubo y en un simple folio haces un rectángulo el lado mas corto del rectángulo es la medida del perímetro del tubo y el lado mas grande el tamaño del  lateral grande el folio.(para que entren todas las espiras posibles en cada folio).

Recortas la plantilla impresa, la plantas encima del rectángulo que has dibujado en el folio y la primera diagonal de la plantilla impresa la continuas hasta el lateral del rectángulo. Ahora solo falta utilizar escuadra y cartabón trazas una línea paralela al lateral mas pequeño del rectángulo, que tiene que cortar justo donde corta la diagonal y el lateral grande del rectángulo. La distancia que hay entre el corte de la diagonal con el lateral mas corto superior es la distancia que tienes que emplear entre espira y espira, ahora traza paralelas a lo largo del rectángulo con esa distancia, y luego une con diagonales una paralela con otra, si esto no lo entiendes fíjate en la plantilla que has impreso y te tiene que quedar mas grande o mas pequeña ( yo solo te estoy explicando como sacar la escala sin tener que hacer calculos ;)

Como esta plantilla tendras que utilizar 2 o 3 plantillas.

·        Para la plantilla del circulo sacas la escala así  150(diametro del tapon grande)/130 (diametro del circulo de la plantilla) =diametro de tu tapón/x    es decir:

                                    150/130=d/x       d= diámetro de tu tampón

Despejas x y te sale el diámetro del circulo a dibujar.

                        Divides entre 2 el resultado y te dibujas un circulo con un compás con                  radio.

Corta el tubo de 40mm de PVC con una longitud de 550mm (55cm). Para sacar tu medida justa del tubo:

            Numero de espiras que quieres que tenga * la distancia entre espira y espira ( la has sacado antes al dibujar las paralelas, distancia entre paralela y paralela) + la altura del tapón sin contar el grosor del culo del tampón. ( la altura del tapón la puedes hallar cogiendo el tubo lo introduces en el tapón y marcas en el tubo con un lapiz hasta donde llega el tapón sacas el tapón y mides desde la marca hasta el lateral del tubo, pues esa es la medida que tienes que sumar ;)

            Ejemplo: 11(espiras) * 5cm (distancia) + 3,7cm (altura tapón)=58,7cm

            Pues 58,7 cm es el tamaño al que tiene que tener el tubo (un consejo deja un milimetro o dos más porque como me imagino que no seras un mestro con la sierra tu corte no será recto) ahora con la escuadra compruebas de donde te tienes que rebajar un poco, hasta dejarlo los mas nivelado posible, para rebajarlo coge la lija y dejalo nivelado y con la medida justa del tamaño del tubo.

Envuelve las plantillas de bobinado alrededor del tubo de PVC haciendo que coincidan los trazos de los bordes y los de las espirales. No es demasiado importante si no coincide a la perfección. Da igual si utilizas la plantilla de espiral a izquierdas o la de espiral a derechas, pero lo que sí es importante es que la antena con la que se va a comunicar sea del mismo tipo. Si combinas una antena de espiral a derechas con una de espiral a izquierdas entonces las señales no serán utilizables en absoluto.

 

El extremo en el que empieces con la plantilla será el que conectarás a la base. Fíjate que el comienzo de la plantilla debe estar desplazado con respecto al tubo una medida igual a la altura del tapón de PVC que has hallado antes (en el ejemplo son los 3,7cm que tiene que quedar sin cubrir por la plantilla). Véase el diagrama. Esto compensará el grosor del tapón.

 

Utilizando un pico afilado (N.T. yo utilicé la punta caliente de un soldador de estaño tipo lápiz JBC) perfora la plantilla a lo largo de la línea espiral a unos intervalos regulares, digamos 5 o 6 por vuelta. Esto dejará unas marcas en el PVC que después seguiremos para enrollar el cable alrededor. Desplaza la plantilla y repite el paso anterior hasta que tengas una espiral completa alrededor de toda la longitud del tubo. Haz otra marca en el punto final de la espiral de la plantilla. Ahora te deberían quedar libres unos cuantos milímetros de tubo. Esto es correcto.

Un consejo es que marques los puntos donde corta un extremo del papel con otro en línea recta hacia abajo para así poder ver el principio y el final del hilo en la misma perpendicular ;)

Coge el alambre de 1mm y, utilizando algo como superglue o Loctite 424, sujeta el final del cable en donde la espiral acaba en el tubo (el punto final descrito en el apartado anterior). Enrolla lentamente el alambre alrededor del tubo, siguiendo las marcas de la espiral. Dos o tres veces en cada vuelta deberás poner más pegamento para sujetar el alambre en su lugar.

Cuándo te acerques a la base no pegues nada en la última vuelta y corta el alambre dejando que sobren unos 10 o 15 cm mas de lo necesarios. Descansa mientras el pegamento seca.

Recorta de la lamina de metal el círculo de que te has creado antes, con unas tijeras de recortables de papeleria lo haces perfectamente es como cortar una cartulina.

Haz agujeros con el taladro en la tapa de 150 mm de PVC y en el círculo de 130mm de chapa. Debes hacer un agujero para el tornillo central y otros para el conector (el del centro del conector y tres más pequeños para sujetarlo).

Normalmente los tapones llevan marcado el centro, por lo cual solo tienes hacer el agujero con la broca apropiada que tiene que ser del tamaño del tornillo a emplear.

Yo hice primero el agujero al tapón grande, luego por la parte de abajo coloqué la chapa circular mas o menos centrada y por el propio agujero del tapón grande hice el agujero a la chapa con esto conseguí centrar lo máximo posible la chapa ;)

Después hice el agujero al tapón pequeño por el centro que viene marcado de fábrica (todo esto siempre con la misma broca). Nota, si por lo que sea no vienen marcados los centros de fabrica como sabes los diámetros de los tapones con un compás te haces los círculos de los tampones en un folio y después marcas los centros de los tapones con estas plantillas.

Para hacer los agujeros del conector N al tapón grande me hice una plantilla en papel del tapón pequeño, la recorte y cogí el conector N sobre la plantilla  y marqué estas posiciones de los agujeros,( calcule dejar sitio para poder colocar las tuercas de los tornillos para sujetarlo) marque una línea en la plantilla para ver por donde tenía que cortar el tapón pequeño para dejar espacio para los agujeros en el conector grande. Mirar en la foto.

 

Después corte el tapón por la línea pintada en la plantilla. El tapón queda así:

   

 

La plantilla del tapón pequeño con la marca de los agujeros la pintas en el interior del tapón grande y le haces los agujeros en el tapón grande. Al pasar la plantilla te tiene que quedar así:

 

Ahora haz los agujeros para el conector tipo N (te aconsejo que verifiques con el conector que estan en su sitio todos los agujeros antes de hacerlo ;).

Cuando atornilles las dos piezas juntas debería parecerse a esto... (falta colocar el circulo de chapa del reflector y el conector tipo N).

 

A continuación deberás hacer los taladros para poner las dos abrazaderas tipo U, dependiendo del tamaño que utilices. Tendrás que tener cuidado de que la posición de las abrazaderas sea correcta, de manera que el mástil que ha de sujetarse a ellas no moleste posteriormente a la hora de conectar el cable al conector tipo N.

Mira la foto siguiente para ver como  tienen que quedar las abrazaderas.

Una vez hecho todos los agujeros en el tapón grande coloca la chapa redonda por la parte exterior del tapón haciendo que coincidan los agujeros centrales y con el taladro haz los agujeros en la chapa a través de los que tienes en el tapón grande, después quita la chapa y al agujero central del conector N hazle un agujero mas grande la razón es para que no llegue a tocar en ningún momento la chapa con la parte del conector este contacto lo tiene que hacer  con los agujeros de soporte del conector (es la masa del conector).

Coloca la hoja circular de metal en la tapa grande de y atornilla el tapón de 40 mm, asegurándote que todos los agujeros de la hoja de aluminio y del tapón coincidan perfectamente. ( como  vamos a dejar fija ya la hoja circular primero haz la prueba de que coinciden los agujeros, luego échale unas gotas de superglue a la hoja circular y déjala ya fija sobre el tapón grande pegándola en la parte interior del tapón.

Acopla el conector tipo N.

Para que se igualen las impedancias (desde la nominal de 150 ohmios de la antena a la de 50 ohmios del conector y los cables) necesitas un chapa que va soldada al conector de tipo N, pasa entre el tubo y el tapon hasta llegar al final del hilo que ahí de nuevo va soldado. (esta chapa la puedes sacar de un retal de la caja de galletas que hemos usado para hacer la hoja circular es perfectamente valida para soldar, el aluminio no se puede soldar a si que no te molestes en utilizarlo, ya que no te servirá. El cobre o latón si servirán.

Necesitas que sea de una longitud tal que te permita seguir el trazo espiral alrededor del tubo hasta el final.

Para la chapa hazte una plantilla necesitas solo un compás y una regla y tienes que hacer un triángulo con estas medidas en los lados 17mm, 71mm y una hipotenusa de 73mm. Esta plantilla ponla encima del retal de la tapa de galletas y con las tijeras corta el triángulo.

Introduce el tubo en el tapón de 40mm y haz una marca en donde la espiral se encuentra con la parte final del tapón. Corta el cable en este punto dejando unos milímetros de más. Con el cutter rasca el esmalte del final del cable para dejarlo brillante y preparado para soldar con facilidad.

Con cuidado, suelda el final del pico estrecho de la tira de cobre al cable, de modo que la otra esquina de la a la chapa se pueda soldar elegantemente sobre el terminal del conector tipo N. (La chapa va entre el tubo y el tapón)  Así que haz los ajustes correspondientes para que desde la soldadura del cable hasta el conector N(al que soldaras la chapa luego) quede la chapa perfectamente con el tubo puesto en el tapón , cuando veas que está, pega la chapa en el tubo con superglue, para que no se te mueva al pegar el tubo con el pegamento de PVC al tapón

Esta chapa en triángulo, actúa como transformador de impedancias. No sé realmente cómo funciona, pero lo he hecho cuatro veces con pequeñas diferencias de longitud, y según el analizador de dos puertos funciona correctamente.

 

Saca el tubo y raya la parte interior del tapón de 40mm y las zonas correspondientes del tubo de 40mm de manera que el pegamento sujete mejor. Antes de pegar limpia completamente todas las superficies.

Haz una mezcla de un poco de Araldite de secado lento (no el de 5 minutos). Aplica el Araldite al tubo y al interior del tapón. Vuelve a introducir el tapón en su sitio, alineando la esquina de la tira de cobre con el terminal del conector. (Si haces esto con el pegamento de PVC de secado rápido tendrás 1-2 min para conseguir ajustar todo perfectamente). Un montón del pegamento rebosará. Suelda la esquina de la tira al pin central del conector N. Luego con silicona inunda todo el contenido de la chapa los tornillos el conector N y las ranuras entre la chapa y le tapón. Ver Foto:

   

Deja que seque el pegamento (un día mas o menos). Coloca las abrazaderas en U y... ya tienes tu propia antena helicoidal. Cuando tengas la chapa en su lugar y todo junto pegado y atornillado deberías tener algo parecido a la siguiente imagen.

 

La razón de que el tapón grande sea de 150mm es que se pueda colocar, desplazándolo sobre el montaje, un trozo de tubo PVC de 150mm de diámetro, que encaje en el primer tapón, y colocar otro tapón en el otro extremo, de manera que todo el conjunto queda perfectamente protegido de las inclemencias del tiempo y de la acción de los pájaros. Si colocas tu antena en el exterior, asegúrate de poner una buena cantidad de silicona alrededor del conector, y asegúrate de que el agua no puede hacer que contacten eléctricamente el terminal central de conector y el plano de tierra (hoja metálica). La experiencia demuestra un funcionamiento deficiente cuando llueve o hay niebla debido a que la condensación hace una especie de cortocircuito entre la tierra y el terminal de señal. También tengo noticias de que la protección de cinc del galvanizado de las abrazaderas puede provocar reacciones de tipo galvánico con la chapa de tierra, de modo que puede ser necesario colocar arandelas de plástico, teflón o goma para prevenir el deterioro de la lámina.

Aquí tienes una imagen del producto terminado.

 

Detalles importantes:

El tubo de PVC que yo he utilizado no se calienta si se introduce en un microondas funcionando durante unos pocos minutos, de modo que no absorbe ninguna de las ondas. Comprueba que esto sea así en el tubo o material que vayas a utilizar metiendo una parte en el microondas (con un pequeño vaso de agua) y asegúrate de que no se calienta o quema. Si fuera así no sería un buen material para hacer la antena.

El ajuste de impedancias que he descrito con la tira de cobre/latón me funcionó de varias maneras, todas las cuáles me las inventé sobre la marcha. La verdad, me quedé impresionado cuando el analizador de puertos me indicó lo bien que el circuito de ajuste estaba funcionando.

Hasta que no haga más pruebas, no diré que con esta antena se pueden conseguir 10Kms de cobertura (aunque es bastante posible y esa es la distancia que se pretende). Deberían funcionar bien a unos 3-4Km con buena visibilidad (sin demasiadas obstrucciones como árboles o tejados)

Hay multitud de variaciones sobre este mismo diseño. Utiliza la imaginación para inventar posibles variaciones que funcionen. Usar obleas de circuitos PCB de una sola cara es una opción, ya que la fibra de vidrio es muy resistente, y el cobre que ya está acoplado puede hacer de reflector.

Teoría

El diseño de esta antena se deduce del estupendo libro ARRL Antenna Handbook. En el capítulo 19 hay una serie de diseños de antenas helicoidales y cálculos matemáticos que detallan como calcular y calibrar un diseño de una antena.

He perdido las notas originales de mi diseño y por los tanto he deducido estas de los ficheros PDF y tomando medidas de las antenas que tengo hechas.

Las siguientes fórmulas son de las páginas 19-23 del libro citado. Las copio aquí ya que no todo el mundo tiene acceso al libro.

 

Cl tiene que estar entre 0.75L-1.133L y es el perímetro del arrollamiento
Sl tiene que estar entre 0.2126Cl y 0.2867Cl y es la longitud axial de una vuelta
G tiene que estar entre 0.8L y 1.1L y es el diámetro del plano de tierra o reflector
Cl = pi * D es el perímetro de arrollamiento, y viene fijado por el tubo de PVC que pensemos utilizar como base para la antena. (Longitud = Diámetro * pi).

La frecuencia central (2.425GHz) tiene una longitud de onda L = 0.123711 metros.

Cl = pi * 0.040m = 0.12566 m (12.56 cm) = 1.0576 veces L
Sl = 0.2126 * 0.12566 = 0.02671 ( o sea 26.7 milímetros, 2.67 cm)

La ganancia de la antena dada en dBi viene definida como ...

Ganancia = 11.8 + 10log10(Cl * Cl * n * Sl) donde n es el número de espiras.
Ganancia = 11.8 + 10log10(1.0576 * 1.0576 * 22 * 0.2126) = 18.9 dBi

La tabla siguiente muestra la relación entre número de espiras y ganancia. Como puede verse, para ganar 3 dbs más, es necesario doblar casi el número de espiras y por lo tanto la longitud de la antena.

Algunas de las nuevas tarjetas 802.11 te permiten seleccionar la frecuencia central (canal) en la que emitirán. Es posible que basándote en esto quizás quieras calcular la antena nuevamente para que se acomode lo más posible a tu instalación.

HelixCalc

He escrito una pequeña utilidad para diseñar e imprimir las plantillas que necesites, de modo que no estarás obligado a utilizar las que yo generé. Puedes cambiar varios de los parámetros (como se describe arriba), y después imprimir una plantilla para el cableado y otra para el plano de tierra. Puedes trabajar tanto en pulgadas como en centímetros. Desgraciadamente existe un pequeño error: la longitud total de la antena genera un resultado equivocado. Puedes calcular la longitud total de la antena manualmente multiplicando el numero de espiras por la longitud de una sola espira Slamda, que se muestra en una caja en el programa. He perdido el fuente del programa y quizás algún día lo vuelva a codificar. Sin embargo, la plantilla de bobinado que se imprime sí es correcta. HelixCalc

Rendimiento

He medido la eficiencia de estas antenas midiendo los parámetros S11. A continuación están las medidas de las dos antenas construí. El diagrama de arriba es la medida SWR (Standing Wave Ratio, Cociente de Onda Estacionaria) y el de abajo es la medida “Log return". Ambas antenas están muy bien, y cumplen las reglamentaciones del espectro radioeléctrico (SWR de 1:1.15 o mejor). Parece ser que el apaño de la tira de cobre/latón para ajustar las impedancias funciona extemadamente bien. Todavía no he probado el funcionamiento a más distancia.

Hecha un vistazo aquí para ver algunas fotografías de antenas que hemos realizado otras personas y yo. Si montas una antena basada en este diseño, te agradecería que me enviases algunas fotos y una descripción , de manera que pueda añadirlas a esta sección.

Antena #1
 

Antena #2
 

Patrones de radiación

A continuación tienes las medidas de algunos patrones de radiación. Desafortunadamente, debido a mi instalación, sólo pude hacer medidas a 180 grados en la parte delantera. El primer patrón se hizo tomando medidas con intervalos de 5 hasta 40 grados, y después dibujando la gráfica reflejada para tener el patrón completo. Los puntos de -3Db se marcaron de acuerdo con la teoría de que el lóbulo tiene aproximadamente 40 grados de ancho. Los segundos patrones se hicieron utilizando intervalos de 10 hasta 90 grados. En ellos se muestra claramente el primer nulo a unos 40 grados del eje de la antena. La relación delante-detrás se midió en 20 dB.

Half Power Beam Width = 52 / (C? * sqrt(n * S?)) degrees
= 52 / (1.066 * sqrt(13 * 0.31830))
= 23.98 degrees

  
  



(C)opyright 1999-2001 Jason Hecker jason@air.net.au
Updated: 24 March 2001- Adaptación de G. Descalzo (C)opyright 200
8

 

No enviamos planos o indicaciones a pedido o por mail.- Si necesita más información para diseñar o construir cohetes, por favor lea detenidamente TODAS estas páginas web, suscribase al "Foro Cohetes", consulte el sitio web de la ACEMA o consulte mi libro "COHETES - Modelismo Espacial, Nivel Inicial

ADVERTENCIA - LEA ESTO:
Las informaciones publicadas en este sitio están destinadas a fines investigativos y científicos.- Por lo tanto, el autor y el servicio de Web Hosting no son responsables por el uso al que se destinen los conocimientos aquí vertidos ni las consecuencias de su empleo por personas maliciosas y/o inexpertas.- En caso tal que algunas de la informaciones aquí publicadas violen derechos legales, ruego se me ponga en conocimiento mediante un e-mail y corregiré el asunto a la brevedad.- Las opiniones aquí expresadas no están avaladas por mis empleadores.-
Esta página se actualizó por última vez el 22/06/08.