Hvordan lage en WiFi antenne

Transkript

1 Hvordan lage en WiFi antenne Gisle Bjørnstad, Halvor Utby, 2. Mars, Sammendrag Denne rapporten beskriver byggingen av en WiFi antenne, og teorien bak. Antennen vi bygde var en retningsbestemt boksantenne. Bølgeteorien vi har tatt med i denne rapporten er kun det mest grunnleggende for å kunne forstå prinsippene bak antennen. Den kan fungere som en fin introduksjon for en som vil forstå hvordan en enkel WiFi antenne fungerer. 1

2 Innhold 1 Sammendrag 1 2 Introduksjon Mål Få erfaring med å bygge en antenne Prinsippene bak en WiFi antenne Valg av antenne Radiobølger Stående bølger Bølgelengder og frekvenser Egenskaper ved Cognacantennen Bygge antenne Valg av materialer Selve byggingen Testing Mer testing Konklusjon 11 6 Kilder 12 7 Takk til 12 2 Introduksjon WiFi, eller Wireless Fidelity som det er en forkortelse for, er den trådløse måten å sette opp et nettverk. Grunnen til at trådløst er blitt så populært er hovedsaklig at det er relativt enkelt å bruke, siden det gir en større frihet. Du kan koble opp en datamaskin til nettverket fra hvor som helst i ditt hjem uten å legge så mange kabler som et trådbasert nettverk trenger. Å sette opp et trådløstnett kan by på problemer. Datamaskinene du ønsker å koble sammen bruker radiosignaler for å kommunisere. Derfor er det en stor fordel å kunne noe om antenner om man skal sette opp et større trådløst nettverk. En antenne er nemlig den mest kritiske delen i et radiokommunikasjonssystem [4]. Det finnes idag et utall ulike antenner, som alle har sine fordeler og ulemper. Den modellen vi valgte å bygge er veldig enkel. Teorien vi har tatt med er heller ikke akkurat rakettforskning. 2

3 Vi har ikke lagt så mye vekt på testing av rekkevidden til antennen, på grunn av at vi bare har hatt sporadisk tilgang på en laptop. De testene vi har utført har hovedsakelig gått ut på å måle signalstyrken, og fått bekreftet teorien. I dette prosjektet har vi bare rispet litt i overflaten, men vi har fått et lite innblikk i en svært fascinerende verden. 2.1 Mål Vi hadde to hovedmål med dette prosjektet Få erfaring med å bygge en antenne Vi ville se om vi klarte å utvide rekkevidden med en hjemmelaget ekstern antenne i forhold til en innebygget antenne. Hvor enkelt er det å lage en antenne? Prinsippene bak en WiFi antenne Hva er radiobølger? Hvordan kan vi forsterke radiosignalene? Hvordan bør en antenne være for å være mest effektiv? 2.2 Valg av antenne For oss var det viktig å velge en antenne som passet for nybegynnere. Valget falt da naturlig på en boksantenne, som beskrevet i [7]. Denne typen antenne er bygd opp etter et relativt enkelt prinsipp, så teorien bak blir forholdsvis lett å forstå. Hvis man ønsker å forbedre denne antennen er det også mulig, for eksempel med en parabol. Endelig er den ganske grei å bygge, og det viktigste for oss var jo ikke selve byggeprosessen, men forståelsen bak. Materialet antennen består av, har ikke kostet oss en krone. Som antennenboks brukte vi et cognac hylster. Derfor velger vi i denne oppgaven å kalle produktet vårt for Cognacantennen. 3 Radiobølger Radiobølger er en del av det elektromagnetiske spekteret. Elektromagnetisk stråling har blant annet bølgeegenskaper. Og det er disse fysiske egenskapene vi utnytter når vi oppretter radiokommunikasjon. Bølgefenomener har lenge vært studert av fysikere, og vi kan forutsi hvordan bølger vil oppføre seg. Derfor passer det godt å bruke bølgeteori når man skal temme og utnytte elektromagnetisme. 3

4 Radiobølger har bølgelengder fra under en millimeter til over 10km. Man kan produsere slike bølger ved å forandre spenningen i en ledning. Elektrisk spenning som forandres i tid skaper et magnetfelt rundt ledningen. Det er altså forandringen i tid som skaper feltet. Det magnetiske feltet forandres i takt med forandringen i spenningen, og det induserer i sin tur et elektrisk felt, som igjen skaper et magnetfelt osv. En radiobølge sprer seg på grunn av denne vekselvirkningen mellom magnetfelt og elektrisk felt. Det ene induserer det andre, og det oppstår en elektromagnetisk bølge. Bølger blir generert ved at spenningen varierer i tid med en bestemt amplitude og frekvens. Frekvensen på bølgene blir den samme som frekvensen til spenningen. På mottakersiden får vi den omvendte effekten, der forandringene i det elektromagnetiske feltet rundt en leder induserer strøm i lederen. De elektromagnetiske bølgene blir omdannet til elektriske impulser. 3.1 Stående bølger I Cognacantennen vår utnytter vi fenomenet med stående bølger. Stående bølger oppstår når de innkommende bølgene reflekteres. De innkommende og reflekterte bølgene forsterker og reduserer hverandre. Det oppstår en ny bølge som et forsterket signal, der bølgetopp og -bunn alltid ligger på samme horisontale punkt. Man kan bl.a. se fenomenet hvis man sender bølger med lik frekvens inn mot en bassengkant. I bassenget kaller vi det gjerne for bølgeskvulp. Internettsiden [6] har en illustrasjon som er god. Stående bølger får såkalte knutepunkt, der de to bølgene alltid utsletter hverandre. Her er det null effekt. De oppstår alltid på faste steder i bølgen, nemlig akkurat i refleksjonspunktet og for hver halve bølgelengde(l). Setter man en antenneledning her, får vi ingen signal. De sterkeste signalene finner derimot i L/4, 3/4L, 5/4L osv. Plasserer man en antenneledning i ett av disse punktene, vil vi få gode signaleffekter. På fig 1 er signaleffekten tegnet inn over boksen vår. Effekten vil variere, men bølgetoppene vil alltid være på samme sted. Vi plasserte antenneledningen vår på den første bølgetopppen, altså L/ Bølgelengder og frekvenser Det er en bestemt sammenheng mellom bølgelengden i fri luft (Lo), bølgelengden til den laveste frekvensen man kan ta inn (Lc), og bølgelengden til den stående bølgen (Lg) inne i boksen. Lc er kun avhengig av diameteren (D) på boksen: Lc = 1,706*D. 4

5 Lg er ikke den samme som Lo, men er en funksjon av Lo og Lc. Lo = 300/frekvensen. ( km/s er farten til elektromagnetiske bølger - lysfarten). Figur 1: Effekten av den stående bølgen inne i cognacboksen vår. [2] I følge [2] danner den inverse av disse tre størrelsene en rettvinklet trekant der vi kan bruke pytagoras: (1/Lo) 2 = (1/Lc) 2 + (1/Lg) 2 som gir Lg = 1 / SQRT((1/Lo) 2 - (1/Lc) 2 ) Figur 2 viser sammenhengen mellom Lo, lc, Lg og D, som vi fant ved 2,45GH Som vi ser av figuren finnes det en nedre diameter på den boksen vi kan bruke for den gitte frekvensen. Går vi under denne grensen vil Lg bli uendelig. For 2,45GHz kan ikke boksen være mindre enn D = C/(1,706*2,45fo) = (3e8)/(1.706*2.45e9Hz) = 71,8mm. Men vi skal få med frekvenser ned til 2,40GHz, og da blir minste diameter 73,3mm. 5

6 Figur 2: Sammenhengen mellom Lo, lc, Lg og D ved 2,45GH 3.3 Egenskaper ved Cognacantennen Tilsvarende finnes som sagt en nedre grense for hvilken frekvens vi får inn ved en gitt diameter. Vår diameter var 85mm. Det gir Lc = 1,706 * 85mm = 145mm. Sammenhengen mellom frekvens (f) og bølgelengde (L) er L * f = C, der C er lysfarten ( km/s). Da får vi at den frekvensen som gir bølger med bølgelengde Lc = 145mm er gitt ved fc = C/Lc = 2,07GHz i vår boks. Dermed tar antenna inn de frekvensene vi ønsker, nemlig 2,4-2,5GHz, men kutter alt som er under 2,07GHz. Jo lavere frekvensen blir, jo lengre blir bølgelengden. Det at antennen vår kutter bølgelengder over en viss størrelse gjør den til et såkalt high pass filter. Den stående bølgen inne i boksen får en bølgelengde Lg på 228,6mm. Avstanden mellom hvert knutepunkt blir da litt over 11cm. Det gjør at bølgetoppen blir ganske flat. Dermed har vi litt å gå på for å treffe riktig. Lg/4 = 57mm, og klarer vi å feste antenneledningen sånn omtrent i den avstanden fra bunnen skulle vi få en grei effekt. 6

7 4 Bygge antenne Det å bygge en antenne var forbausende enkelt. Vi brukte [2] som bruksanvisning, og da tok selve monteringen av antennen ca. en time. 4.1 Valg av materialer Vi fikk råd om å begynne ganske tidlig med å få tak i de delene vi trengte. Det viste seg å være lurt, for de kontaktene vi trengte selges ikke løst i radioforretningene. Vi trengte en type N-kontakt og en 50 ohms koaxkabel. Løsningen ble å kontakte en slektning som jobber som sambandstekniker i forsvaret. Etter å ha gravet litt i skuffene sendte han over litt av hvert vi kunne prøve oss fram med. Vi brukte en kabel som var ferdig strømpet. Siden vi ikke har verktøy for slikt, passet det oss godt. Denne kabelen later til å gjøre jobben, så vi har ikke eksperimentert med lengden på den. Den lille ledningsbiten som utgjør selve antennen laget vi av en 2,5mm 2 kobberledning som vi satte fast nedi den kontakten vi brukte inn i boksen. Vi måtte også finne en metallboks som hadde ca riktig dimensjon. Løsningen ble et Bache Gabrielsen XO hylster, som vanligvis brukes til å beskytte en cognac flaske. Den hadde ikke ideele mål, men selv uten å sage den til, slik at den tilfredstilte målene, fungerte den fint som antenne. Figur 3: Bache Gabrielsen XO før boring 7

8 4.2 Selve byggingen Måling Skal antennen fungere bra, må ledninger, skruer og rør stå i riktig forhold til hverandre. Disse målene fant vi i [2]. Det som er viktig å være klar over er hva slags bølger man jobber med. Figur 4: Målene til boksen. Figuren er hentet hos [2] Vår Lg/4 ble beregnet til 57 mm. Boring Siden Bache Gabrielsen hylsteret vi brukte var litt skjørt var vi litt forsiktig, og testa litt bore teknikker før vi boret for alvor. Etter flere kontrollmålinger, begynte vi å bore. (se figur 3 og 4). For ikke å ødelegge boksen, boret vi først et lite hull, og utvidet det litt etter litt, til det var stort nok til ledningen vi hadde som skulle inn i boksen. (Se figur 5). Ledninger Ledningene vi brukte ønsket vi å ha kortest mulig lengde på, siden signaltapet i ledningene er ganske stort. Hvis det blir for stort, vil det være vanskelig for oss å finne svar på det ene av målene vi hadde satt oss, om antennen vår er bedre enn den interne i nettverkskortet. 8

9 Figur 5: Bache Gabrielsen XO etter boring Etter å ha brukt kalkulatoren i [2] fant vi ut at lengden på ledningen som skulle være på insiden av boksen, selve antennen, skulle tilsvare Lo/4, som vi beregnet til 31mm. Lengden på denne bestemmer hvilken frekvens man lytter til, og bør ideelt tilpasses for hver enkelt frekvens man skal operere på. I praksis lager man jo et kompromiss, og vi gikk ut fra 2,45 Ghz. Senere når boksen var ferdig, testet vi med andre lengder, og da fikk vi negative utslag på dbm i forhold til det vi hadde med en lengde på 31 mm. Figur 6: Ledningen ferdig før den kobles til Montering Når alle delen var ferdige, var det bare å skru lednigen fast til boksen. Boksen var ferdig, og måtte testes. Avsaging Boksen var 34cm, som var for langt i forhold til bølgelengden. Siden vi har bølgetopper på 1/4 Lg, 3/4 Lg, 5/4 Lg, osv, valgte vi å kutte av ved det punktet som var nærmest enden på boksen, altså 5/4 Lg, som var på 28,5cm. Om dette forbedret antennen betraktelig, fikk vi ikke målt siden vi ikke hadde god nok software før vi kappet av toppen. Signalet ble sterkere etterpå, men det kan også 9

10 Figur 7: Lednigen er nå koblet til boksen skyldes andre faktorer, som støy, feil retning i forhold til basestasjonen, osv. 4.3 Testing Testet denne boksen (se figur 7) så på lesesalen i 3. etasje på HIB, før vi kappet av toppen, og vi fikk fullt utslag på effekten da vi koblet oss opp mot laptop net. Etter at toppen var kappet av testet vi en gang til, og målte da signalene med et program som het Netstumbler. Vi plasserte oss samme sted som første gang og fant 5 forskjellige nett. Det sterkeste signalet fikk vi fra Laptop net, som sendte på kanal 6. Orinoco kort (figur 8) Signalet med ekstern antennen ble da målt til -52 dbm. Signalet uten ekstern antennen ble så målt til -62 dbm. Og signalet med lokk utenpå antennen ble målt til -72 dbm. Skrudde så ut antennen ledningen fra boksen for å se hvordan signalet ble uten forsterkingen fra boksen. (se figur 6). Signalet ble da -75 dbm. Vi lurte på om den stånde bølgen fortsatte utenfor boksen, så derfor beveget vi antenneledningen i forkant av boksen, men signalet forble -75 dbm, så vi konkluderte med at den stående bølgen kunn er inne i boksen. Topcom kort For å sammenligne målte vi også med et annet kort som ikke kunne koble til ekstern antenne. Signalet ble da -57 dbm. Altså var den eksterne antennen en forbedring i forhold til den interne antennen i Orinoco kortet, og også litt bedre enn Topcom kortet. 10

11 Figur 8: Nettverkskortet vi brukte Antennen var imidlertid retningsbestemt og derfor dårlig om man holdt den i feil retning i forhold til basestasjonen. 4.4 Mer testing Antennen ble så testen hos en studentkompis som bor et lite stykke fra SV fakultetet. Der ble antennen rettet mot SV fakultetet, og registrerte trådløse nettverk som den aldri før hadde sett. Dessverre var avstanden til alle basestasjonene for stor til at man fikk koblet seg opp. Så det kunne se ut som antennen har bedre mottakeregenskaper enn senderegenskaper. Igjen kan dette også skyldes andre faktorer, som feilkonfigurering av nettverksoppkoblingen. 5 Konklusjon Dette prosjektet har lært oss mye om hvordan en antenne kan fungere. Samtidig vet vi at antenner er en egen vitenskap, og at vi er langt fra utlært i dette området. Prinsippet bak en radioantenne er egentlig veldig enkelt, men det finnes utallige mange muligheter og utfordringer. Vi har lært én måte å forsterke signalene på, nemlig med en bølgeleder som gir stående bølger. Vi har også lært hva radiobølger er og består av, hvordan de kan skapes og mottas. Vi har sett at med få midler og liten tid, kan man bygge en fullt fungerende antenne. 11

12 6 Kilder [1] [2] [3] [4] Wireless networks av Matthew S. Gast [5] viten.ntnu.no/modeller/mod189.pdf [6] [7] 7 Takk til Olaf Garnaas for lån av laptop. Hallvar Helleseth for lån av nettverkskort (se figur 8), lednig og tips. Dagfinn Rydningen for ledninger og skruer. Kristian Snekvik for god hjelp med forståelse av bølger. 12