Jon Latorre Martinez
Bilbowireless
patataman@airtel.net

versión 0.1

09 de octubre de 2003

Teoría del taller de antenas dado por bilbowireless en el transcurso de hackmeeting 03.


Copyright, 2003 Jon Latorre Martinez. Se otorga permiso para copiar, distribuir y/o modificar este documento bajo las condiciones de la Licencia GNU para Documentación Libre, versión 1.1 o posterior, publicada por la Free Software Foundation, sin secciones invariantes. Una copia de la licencia se encuentra en el fichero GFDL.

Taller de Antenas

En bilbowireless, como en muchas otras comunidades, teníamos un gran problemas con las antenas: No podíamos pagar el precio de una antena comercial :) Afortunadamente la mayor ventaja del la libertad (ya sea en el software o en las redes) es la libertad de información . Es por ello bastante fácil encontrar en Internet (y en otros sitios, las bibliotecas están para algo) cierta cantidad de información. Es cierto que para una comprensión profunda del funcionamiento de cierto tipos de antenas hay que tener grandes conocimientos. Pero la construcción de la mayoría de ellas solo requiere un poco de mañana. En bilbowireless tenemos varios miembros con grandes conocimientos de telecomunicaciones y radiofrecuencia, lo que nos ha permitido ir un poco mas allá de construir los modelos obtenidos, y hacer nuestros pequeños pinitos en diseño de antenas.

Pero no os asustéis, para dedicarnos a construir antenas solo necesitaremos algunas herramientas y sobre todo, muchas ganas :)

Vamos a empezar con un poco de teoría, la justa, para entender el porque de algunos detalles que veremos luego.

Conceptos básicos

Características de las ondas EM

Para el que no lo sepa la tecnología wireless que usamos (802.11loquesea) se basa en la emisión de ondas electromagnéticas en la banda de los 2,4GHz. Partiendo de esta frecuencia y de que las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz, calculamos que la longitud de onda es 12cm.

Esto tiene cosas buenas y cosas malas. La buena es que no necesitamos grandes antenas (de varios metros) lo cual facilita mucho su manejo. Como desventaja tenemos que a frecuencias tan altas las pérdidas en los cables son considerables. Otro problema es que al sen tan pequeña la longitud de onda tendremos que ser mas precisos en la fabricación de las antenas.

Decibelios

Cuando hablamos de antenas a menudo surge la palabra decibelio. A todos no suena relacionado con el sonido. El decibelio es una manera de comparar distintas magnitudes. Por ejemplo, tenemos una tarjeta y una antena y queremos saber cual es la ganancia de la antena. Esto de puede lograr dividiendo la potencia que "sale" por la antena entre la potencia que entrega la tarjeta. Si ese producto hacemos su logaritmo y lo multiplicamos por 10, tendremos la ganancia de la antena en decibelio.

 G=Pot. Emitida/Pot. tarjeta
 G[dB]=10*log(G)

Y es que al usar decibelios usamos una escala logarítmica, con lo cual tenemos que sumar en vez de multiplicar. Así, si queremos saber la potencia que "aparentemente sale" por nuestra antena a los dBm (decibelios referidos a potencia) de la tarjeta le sumamos los de la antena y tendremos la potencia aparentemente radiada.

Propagación

Para entender como se propagan nuestras ondas wifi vamos a usar una analogía que nos hará mucho mas fácil entender ciertas cosas. Esta analogía no sera 100% exacta pero para muchas de las cosas que queremos explicar nos valdrá. Vamos a olvidarnos de tarjetas, antenas y cables coaxiales y a pensar en: Linternas :)

Imaginaros que dos amigos/as os subís a los tejados e intentáis hacer señales con linternas. De lo primero que os dais cuenta es que sin visión directa pocas señales vais a a ver. En Wifi pasa parecido.

Otra cosa que comprobarais es que si hace un sol de justicia tampoco se vera la linterna del otro. Si denominamos a la luz solar "ruido", enseguida comprendemos porque es tan importante la SNR (relación señal ruido).

Una manera de entender los rebotes puede ser que si uno de los extremos apunta su linterna contra una pared que veis los 2, seréis capaces de "distinguir" su luz. Claro que en función de esa pared puede ser que no haya "rebotes". Aun así siempre se vera pero que si el otro extremo os enfoca directamente a los ojos :)

Otra cosa que queda bastante clara con el ejemplo de las linternas es que no se puede "doblar" el haz de luz. Esto es, que si no tenéis visión directa con el otro extremo, por mucho que ese apunte hacia arriba su linterna y vosotros miréis hacia arriba no vais a lograr "veros". Aun así, hay un efecto(la difracción) que permite que nos "vemos" aun sin tener visión directa. Imaginas que en medio tenéis un obstáculo cualquiera y que el otro extremo "ilumina" la parte mas alta de este obstáculo. Es posible que si no es mucho mas alto que nosotros, veamos "algo" de la luz que ilumina la cima del obstáculo. Esta seria un explicación tipo "barrio sésamo" de la difracción. Para saber hasta que punto podemos "ver" por encima de un objeto en las paginas de calculo de enlaces hay una sección, que suele ser sobre la zona fresnell.

Vamos a explicar ahora un poco el tema de la zona fresnell. Como creéis que veríais mejor a otra persona con una linterna: estando los 2 elevados cierta altura del suele sin nada en medio (en dos torretas) o estando los 2 justo justo a nivel de suelo?. Con las ondas de radio pasa algo parecido. Para evitar la difracción que puede producir los distintos objetos, en un caso ideal es deseable dejar libre cierta "panza" debajo de la linea de visión directa.

Otra cosa que se puede explicar con esta analogía es la diferencia entra antenas direccionales y omnidireccional. Una antena omni seria el equivalente a una bombilla (o una vela, si no tiene mucha ganancia). Una bombilla emite en todas direcciones. Una omni de mucha ganancia tiene un efecto que se podría comparar a un faro. Un faro emite luz a lo largo de 360 en el plano horizontal, pero si nos ponemos justo encima del faro no seremos capaces de ver su luz. En la otra parte tendríamos las antenas direccional, que seria como una buena linterna focal. Hay una zona donde dan "mucha luz", pero si nos salimos de esa zona no veremos nada.

Lo que no es tan fácil de explicar con esta analogía es la ganancia de la antenas. Las antenas son bidireccionales, por lo tanto lo mismo q aumentan la recepción aumentan la emisión. Se podría decir que son como convertir nuestra linterna en un potente foco y a la vez, usar unos prismáticos.

Vamos a dar por acabada la clase de propagación de ondas de "barrio sésamo" :)

Calculo de perdidas

Lo mismo que para calcular la potencia aparente sumamos decibelios, para calcular perdidas los restamos. Las perdidas pueden ser por distintos motivos:

Viabilidad de enlaces

El calculo de la viabilidad de un enlaces es básicamente sumar. Por un lado sumaremos la potencia con la que emite la tarjeta y la ganancia de las 2 antenas. Ahora tocara restar todas las perdidas: cables y conectores, distancia, obstáculos en la zona fresnel etc. Una vez que hagamos las cuentas pertinentes (en decibelios como siempre). El valor obtenido deberá ser mayor que la "sensibilidad", que representa el nivel mínimo de señal que la tarjeta es capaz de interpretar (cada tarjeta tiene una, que suele anda entre los -90algo dB -80dBs). Cuanto mayor sea el margen mejor conexión. Si el margen es de pocos dBs el enlace sera pésimo. Si tenemos de 10dB para arriba la cosa mejora a aceptable. 20dB ya es ideal.

Para hacer esto cálculos hay paginas con código javascript que nos facilitan mucho la vida. Por ejemplo:

 URLSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSs

Pruebas de campo

Una vez que construyamos una antena lo primero que querremos hacer, después de enseñársela a los amigos, es salir a probarla. La manera ideal de probar una antena seria en un laboratorio con instrumental muy cara, pero no es esto un tallar "casero" de antenas? Probemos las pues de acuerdo a nuestra filosofía. Para probar antenas necesitaremos 2 puntos con interfaces wireless separados por una buena distancia. Estos puntos lo mas habitual es que sean un AP y un portátil o 2 portátiles.

Recomendaciones básicas

Una url muy interesante: http://hacks.oreilly.com/pub/h/881

WifiPredictor

Sin material de laboratorio la única manera de probar antenas que nos queda es la empírica, por comparación pura y dura. Para ello iremos apuntando los distinto parámetros de la calidad de enlace (SNR básicamente es el mas importante) en sucesivas mediciones para hacernos una idea del comportamiento de la antena.

En bilbowireless empezamos con un trozo de papel y un bolígrafo :) Evidentemente este no es el meto mas adecuado teniendo un portátil delante, así que enseguida decimos usar un meto "digital". Lo que necesitábamos era ir apuntando el valor de SNR, nivel de señal y "link quality" sucesivamente en el tiempo. Así nació wifipredictor.

Al principio era un simple script de bash que tomaba la salida del comando iwconfig y lo volcaba a un fichero. Entonces Fiz, uno de los miembros mas activos de bilbowireless al que le debemos el mapa de nodos p.j., se puso a desarrollan una versión en python. Actualmente va por la versión 0.6.2. Básicamente lo que nos permite es realizar una batería de pruebas de distintas antenas, volcando el resultado en un fichero de texto para su fácil interpretación. Lo cual nos lleva al siguiente punto.

Como interpretar los datos

Ya hemos dicho que el parámetro mas importante es el SNR, o relación señal ruido. Este parámetro se expresa en decibelios y representa la relación entre la señal recibida y el ruido. Con el podemos hacernos una idea de la ganancia en dBs de nuestra antena, por ejemplo:

SALIDA DE WIFIPREDICTOR

Como aquí vemos si tomamos el valor medio de las 2 antenas una de ellas tiene X dBs mas que la otra. En este caso la ANTENA X le consideraremos que tienes Y dB y por lo tanto, podemos decir que la otra antena tendrá aproximadamente Y+X dBs.

Es un método casero, por lo tanto no tremendamente fiable. Lo mejor es repetir las pruebas a distintas distancia y en distintas situaciones, lo que nos hará ver una respuesta mas aproximada de la antena.

Antenas direccionales

Por antena direccional entendemos aquella antena cuyo lóbulo de radiación claramente orientado en una dirección. Esto nos permite tener mayor ganancia (al concentrar la potencia radiada en un punto menor) pero nos obliga a tener que "apuntar". Esta antena es útil para los clientes o para los enlaces entre nodos. Hay muchos tipos de antenas direccionales, veamos algunos de los mas conocido:

Antenas Omnidireccionales

Ejemplos Prácticos

Omni Coaxial

Materiales:

Fabricacion: Se trata de dejar alternamente zonas donde el vivo del cable esta a la vista (60mm) con zonas donde se matiene la malla del cable(40mm, esfasadores). En la zona del conector hay que dejar 30mm de maya para que haga de desacoplador. El cable ha de ser lo suficientemente rigido como para mantenrse en pie, aunque se puede introducir dentro de un tubo o similar que lo sostenga. Veamos por ejemplo como seria una omni coaxial de 2 elementos (la que solemos usar con portatiles:

 Conector+30mm malla+60mm vivo+40mm malla+60mm vivo

Una vez acabada se puede forrar para evitar que se enganche las puntas de la malla y darle rigided. Por ejemplo se puede usar termoretractil de 5-6mm.

Omni j Pole

Materiales:

Herramientas:

uStrip

Materiales:

Fabricacion:

Lo primero es lograr el fotolito. Para ello necesitaremos el PDF con el diseño de la antena y una transparencia o papel de cebolla. Una vez impreso el fotolito hay que comprobar si es lo suficientemente opaco, pusiendo retocar imperfecciones con un rotulador. Podemos ya pasar a insolar la placa. Si tenemos acceso a una insoladora mejor que mejor, pero se pueden usar metodos "alternativos". Basicamente para insolar necesitaremos un cristal (o dos), para presionar placa y fotolito y no tener sombras, y una fuente de luz. Lo ideal es luz actinica, pero se puede llegar ha hacer con luz solar. El tiempo de insolacion variara segun el tipo de placa y la fuente de luz. Los tiempos pueden ir desde 3min hasta 30-45min a luz solari(con buen sol).Se suelen hacer insoladoras caseras con una caja de zapatos cubierta de papel de aluminio y unas bombillas de las llamadas "de bajo consumo". COn este tipo de insoladora, y para asegurarnos, podemos esperar unos 10 mins.

Una vez hayamos insolado tendremos que revelar nuestra placa. Esto se logra sumergiendo la placa en una disolucion de sosa. La sosa la podemos comprar en drogerias, un kilo por pocos euros) o en sobrecitos en tiendas de electronica (unos euros un sobrecito :). Cuando introducimos la placa en la solucion reveladora veremos como se resalta (aun mas, ya que despues de insolar se debria notar el dibujo) el dibujo donde no le ha dado la luz, perdiendo la resina protectora en las zonas que han recibido la luz.

Cuando hayamos terminado de revelar sacamos la placa y la aclaramos con agua. Suele hacer falta frotar suavemente para terminar de retirar la resina donde no la necesitamos. Ahora es cuando deberemos atacar la placa con tal de que se vaya el cobre de las zonas donde ha dado la luz (ya que hemos usado una placa positiva). Tenemos 2 metodos:

Cuando veamos que el atacador se ha llevado todo el cobre que no deseabamos sacaremos la placa y la limpiaremos con abundante agua. Ahora necesitaremos el reflector, que lo haremos con un trozo de placa de circuto virgen. Solo hay que pegar las 2 placas (la virgen y la placa con los parches) con las caras con cobre hacia fuera las 2.

Ya casi esta nuestra antena, solo nos falta hacerle un taladro en la union de las lineas de alimentacion de los parches y colocarle el conector necesario. Si hemos usado el PDF con el airstub largo, tendremos que recortarlo unos 10mm, rascando el cobre por ejemplo.

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