lunes, 6 de octubre de 2008

Construcción de una Antena Helicoidal para la banda ISM de 2.4GHz para uso en redes WIFI

INTRODUCTION


Una antena helicoidal es una antena direccional, que se usan normalmente para comunicación terrestre y estan en posición horizontal (paralela al piso) y apuntando hacía el destino.

En el siguiente articulo se diseña una antena helicoidal, con todos sus parámetros, se muestra la forma en la cual se construyó y las mediciones que fueron realizadas en el laboratorio. Y explicaré la construcción de una antena helicoidal para las bandas de frecuencias de 2 a 5 GHz, aquí se construye para la banda ISM, de esta forma tendrá una aplicación de conexión a las redes WIFI, de la norma 802.11 IEEE.



TEORÍA DEL DISEÑO DE LA ANTENA

Lo primero que se necesita saber es a la frecuencia para la que se va a utilizar la antena. En nuestro caso la utilizaremos para dispositivos inalámbricos en la Banda ISM (Industrial, Scientific and Medical), que como su nombre lo indica es para uso Industrial, cientifico y medico. El uso específico en que se utilizara esta antena, será en la captura de redes inalámbricas WIFI, cuya norma es la 802.11.

Por lo tanto

Otros parámetros que se definen para la construcción de esta antena, son el número de espira que esta relacionado directamente con la ganancia de la antena, mientras mas espiras más ganancia, pero no de una forma lineal, sino que se relacionan de una forma logarítmica, con la siguiente formula:

Ganancia


Donde:

c: Largo de espiras

N: Numero de espiras

d: Separación entre espiras

lambda: Longitud de Onda

D: Diámetro

P: Perímetro

Pasos a seguir para el cálculo de la antena:

a) Longitud de onda:

b) a partir de esta ecuación despejamos el diámetro:


c) El numero de espiras que se selecciono, es un numero que nos de una alta ganancia, pero no excediéndonos en el tamaño de la antena, de forma que sea manipulable, entonces, N= 16 espiras.

d) La separación entre espiras será igual que un cuarto de longitud de onda, esto es igual a

e) En la realidad este es el largo de las espiras:



Por lo tanto la ganancia de la antena es:



f) Impedancia de la antena


g) Calculo del adaptador de impedancia.

La impedancia de la línea es de 50 Ohms y la impedancia de la antena es de 143,6 Ohms, como fue calculado anteriormente. La teoría de líneas de transmisión indica que la siguiente ecuación es la que relaciona las impedancias:



Entonces, el adaptador de impedancia consiste en una placa de cobre triangular, cuyas dimensiones son de 71mm y 17mm de catetos.

h) Dimensiones del PVC.

Para darle firmeza a la estructura se utilizara un tuvo PVC, cuya sección es de 40mm. El largo del tubo será lo suficiente para que caigan las 16 espiras y la tapa de base, entonces:



h) Dimensiones del reflector.

Por teoría el reflector debe ser mayo que la longitud de onda, por lo tanto debe ser mayor que 12,5cm, en este caso se eligió un reflector de 14cm, de un grosor de 1,5mm, lo suficiente para que sea firme, y resiste el viento, si es que se utiliza en exteriores.


ETAPA DE CONSTRUCCIÓN

La antena helicoidal consiste básicamente en espiras enrolladas en una estructura de PVC, conectadas al adaptador de impedancia calculado anteriormente, seguido del conector N y en la base contiene un reflector de aluminio.


Fig.1 Esquema básico de una antena helicoidal




Materiales

· Tubo de PVC, sección 40mm, largo 60cm

· Tapa para tubo de PVC de 40mm

· Alambre de cobre de 1,5mm, 3 m de longitud

· Trozo de placa de cobre

· Placa de aluminio, dimensiones 18x18cm

· Conector tipo N, de montaje en panel

· 8 tornillos, 8 tuercas

· Pegamento para PVC

· 2 Hojas de papel

PROCEDIMIENTO

Fijar la tapa del tubo al centro de la placa de aluminio. Con 4 tornillos y tuercas, dejando las tuercas adentro de la tapa, para una mejor estética.


Fig. 2 Tapa fija al centro de la placa de aluminio, por medio de tornillos y tuercas.


En las hojas de papel trazar rectángulos cuyo ancho sea la distancia entre espiras y de largo, igual al perímetro del tubo, y trazar las diagonales de la izquierda inferior a la derecha superior de los rectángulos, para obtener una polarización hacia la derecha, luego de esto, pegar con cinta adhesiva, comenzando desde el límite de la tapa del tubo. Y con un cuchillo cartonero seguir las diagonales, de esta forma quedan marcadas como pequeños hilos el camino para pegar las espiras.

Luego, enrollar las espiras en las marcas ya hechas, con pegamento de PVC.




Fig.3 Tubo con espiras enrolladas.




Luego de esto Hacer un orificio en la placa de aluminio, debajo de la tapa de PVC, para fijar el conector N y dejar el Stub, lo más cercano al cable, de esta forma el lóbulo quedara centrado.

En la placa de cobre de un espesor delgado, cortar un triangulo rectángulo, cuyos catetos tengan 71 mm y 17 mm., y soldar este, entre el conector N y la primera espira.



Fig.4 Stub soldado entre conector N y primera espira.


Fig.5 Imagen final de la antela helicoidal para la banda ISM

MEDICIONES

Las mediciones en el laboratorio se centraron en medir el ROE, por medio de un instrumento, que se calibra por una serie de conexiones hechas anterior a la mediación de la antena.

El ROE es la relación de ondas estacionarias, y es una medida de la energía enviada por el transmisor que es reflejada por el sistema de transmisión y vuelve al transmisor.

El ROE muy alto puede dañar al transmisor, es por esto que debe estar entre 0 y 5, y no sobrepasar este valor.

El valor del ROE que se obtuvo con el instrumento, de la antena construida es de 1,9. Por medio de este valor se puede deducir otro valor que es indicador de desacoplamiento, indicador que corresponde a la relación entre los voltaje de corriente o voltaje, de la onda reflejada, respecto a la incidente.



Coeficiente de Reflexión

La energía reflejada hacia el generador, porcentualmente es:



Entonces la potencia absorbida es:



Otro parámetro a calcular son las pérdidas por retorno (PPR), y es producida por desadaptación de la línea de transmisión respecto a la carga. Los valores típicos van entre 14 y 30dB de perdida.



De esta forma podemos saber que la antena cumple con los estándares requeridos.

CONCLUSIONES

Esta es una antena que tiene características destacables como son la direccionalidad, su fácil diseño, también la simple construcción, pero lo más importantes es el bajo costo, para los servicios que nos puede ofrecer. En el laboratorio esta antena se utilizo para captar redes inalámbricas (WIFI) a distancia.


REFERENCIAS

[1]Fabricación de una Antena Helicoidal http://madridwireless.net/docs/helicoidal/index.html

[2]Análisis, diseño, construcción y Medición de antenas Helicoidales para 2.4 GHz sobre Aeroplataforma de Comunicaciones Globo-Antena (HAPS), UTEM.

[3]Apuntes de la clase de laboratorio de antenas, Profesor Francisco Herrera.



jueves, 29 de mayo de 2008

Simulación de un punto de acceso de Wimax en la zona sur-poniente de la ciudad de Melipilla

INTRODUCCIÓN
Últimamente en la ciudad de Melipilla se habla del proyecto que existe para iluminar la ciudad con conexión inalámbrica WIFI, pero los costos de esto son demasiado altos, porque cada antena cuesta alrededor de 4 millones de pesos, y el proyecto esta basado en 27 puntos de acceso. Lo que lleva una inversión inicial de alrededor de 120 millones de peso, y la municipalidad esta dispuesta a gastar solo 80 millones, pero se espera la inversión del sector privado. El punto de tope es que no se tiene presupuestado dinero para la mantención, cosa que con WIMAX seria mucho menor porque la cantidad de equipos disminuiría y bajaría el costo de la mantención, lo que sería optimo para la municipalidad. Es de esta forma que con este paper se quiere demostrar una alternativa en la zona sur-poniente de melipilla, con tecnología WIMAX, pero solo del punto de vista técnico. Tal vez hoy en día, la tecnología WIFI sea la correcta por la poca difusión que tiene WIMAX en comparación con WIFI, pero cuando esta tecnología tenga una difusión mas masiva y por lo prometido por las empresas, los equipos debieran ser de bajo costo.
Para comenzar, se darán a conocer las características de los distintos estándares de la norma 802.16., luego se introducirá al programa de simulación RADIO MOBILE y finalmente se aplicará una punto de acceso WIMAX en la zona sur-poniente de la ciudad de melipilla.

RADIO MOBILE

Es una herramienta de software para predecir el desempeño de sistemas de radio en exteriores. Aunque fue concebida para sistemas de radio aficionados tradicionales, permite cálculos de presupuesto de enlaces en un amplio rango de frecuentas y es usada también por profesionales.
Radio mobile usa modelos digitales de elevación de terreno (mapas digitales) para calcular automáticamente el perfil del trayecto entre el transmisor y el receptor.
El software usó el Modelo del Terreno Irregular (ITM por su sigla en inglés) para propagación de radio. El modelo ITM es un modelo de propósito general basado en la teoría electromagnética y el análisis estadístico de las características del terreno. Este modelo es válido en un rango de 20MHz A 20GHz, este software puede ser utilizado para predecir la atenuación de las señales de radio en sistemas WLAN y WMAN.
Entre sus herramientas se encuentran una serie de mapas, perfiles de los enlaces, y hasta animaciones.
Los mapas que se utilizan son de un proyecto de la NASA que proporciona información topográfica digital gratuita.


SIMULACION CON RADIO MOBILE

Como ya se ha dicho anteriormente la idea de este paper es la de simular un punto de acceso con una antena que provea de Internet inalámbrico basado en la norma 802.16a, comercialmente conocido como WIMAX. El lugar seleccionado es la zona sur-poniente de Melipilla, que se encuentra en constante crecimiento, por el aumento de los condominios y la existencia de la población más cercana llamada El Parque, cuya estratos sociales se centra en la clase media, con el poder adquisitivo necesario para comprar nueva tecnología y darle uso a la red.
El lugar seleccionado para posicionar la antena es el Cerro Sombrero, que bordea la zona sur-poniente de Melipilla, y se eligió este lugar por su altura con respecto a los sectores donde se localizan los receptores de la población.
El primer paso para encontrar el mapa, es obtener las coordenadas del lugar que se desea, para esto se utilizó la pagina
http://www.earthtools.org/, que utiliza como base google map, pero le adhiere las coordenadas del centro del mapa. Entonces por medio de esta página buscamos el Cerro Sombrero y la zona requerida.
Las coordenadas entregadas por EARHTOOLS son grados y minutos y por medio de un programa en Internet fueron modificas a lo siguiente:

Latitud : -33,6956
Longitud : -71,2261

En propiedades de mapas se define la resolución de la imagen, la altura de la imagen, y la fuente de los datos.
Ya con las coordinas precisas, por medio del software RADIO MOBILE, se descarga el mapa.

Fig.1 Imagen de la perspectiva de la zona a trabajar con respecto a la ciudad de Melipilla.

La imagen obtenida es solo una imagen topográfica de la zona, para ubicarnos mejor, se combina una imagen, con una de la ciudad de Melipilla.

Fig.2 Imagen topográfica, combinada con imagen de la ciudad.

El siguiente paso a seguir es definir las propiedades de redes:
La red a crear se llamará WIMAX. Como esta red esta basada en la norma 802.16a, las frecuencias de trabajo serán las comúnmente usadas para WIMAX, que son 3500 MHz, como frecuencia menor y la frecuencia mayor de 3610MHz. Como se dijo anteriormente el ancho de banda óptimo para un canal es de 10MHz, y en este caso se definieron 11 canales al igual que los que tiene WIFI. En la ventana de propiedades de las redes se puede definir el tipo de clima y las perdidas adicionales. El clima seleccionado es continental templado.
Las perdidas adicionales son cero, ya que el sector no posee bosques hacia la zona donde quiere iluminar y no hay edificios que interfieran porque es un sector residencial.
Los otros parámetros se dejarán por defecto.
En sistema se definen, los distintos sistemas de la red y sus parámetros, en este caso existirán solo 2:

Sistema base

Potencia del transmisor: 1W
Perdidas de línea : 0,5dB
Tipo de antena : Omnidireccional
Ganancia de Antena : 18dBi
Altura de Antena : 15mts

Los datos de la estación base son de acuerdo a antenas WIMAX encontradas en Internet, las más típicas, en este caso es de una planar, no es omnidireccional, pero los parámetros se utilizaron de igual forma para esta simulación.

Sistema prueba

Potencia del transmisor: 0,03W
Perdidas de línea : 0,5dB
Tipo de antena : Direccional
Ganancia de Antena : 2dBi
Altura de Antena : 1,5mts

Por la poca información que encuentra sobre los receptores de WIMAX, se utilizarán los valores típicos de las tarjetas WIFI, que no deben estar muy lejanos, a diferencia de los transmisores.
Siguiendo con el procedimiento utilizado, en las Propiedades de las Unidades, se crean las unidades que son:

Base (ubicado en el Cerro Sombrero)
Prueba1
Prueba2
Prueba3

Y cada uno de esto se ubica en el mapa, como lo muestra la siguiente imagen, que fue tomada desde una altura de 5Km, más cercana que las anteriores:

Fig.3 Estación Base con 3 puntos de prueba.

El último paso para obtener el enlace es poner las unidades creadas en la listas de miembros. Y configurar que tipo de sistema es la unidad y el Rol en la red:

Base
Rol de : Control
Sistema : Estación Base

Prueba1, Prueba2 y Prueba3
Rol de : Subordinado
Sistema : Prueba

De esta forma se crea el enlace de radio, y si las líneas entre el Rol de control y el Rol de subordinado son verdes, el enlace funciona, si las líneas aparecen rojas, el enlace tiene problemas.
Otra de las herramientas que nos proporciona este software, es la ventana de Enlace de radio, que nos muestra el perfil del enlace, en nuestro caso, del transmisor Base al receptor donde se puede seleccionar las estaciones de prueba ( 1, 2, 3 ).

Fig.4 Ventana Enlace de Radio

En la venta de Enlace de Radio se entregan los parámetros elegidos anteriormente del transmisor y del receptor, y además los siguientes parámetros con valores del enlace de radio:

Transmisor : base
Receptor : prueba1
Azimut : 83,4º
Pérdidas : 116,7dB
Áng. De elevación: 4,122º
Campo Eléctrico : 79dBuV/m
Nivel Rx : 67,7dBm
Peor Fresnel : 2,3F1
Distancia : 3,34km

En la siguiente imagen se muestra el radio de cobertura de la Unidad llamada Base, que tiene el Rol de control, la zona que se encuentra sombreada amarilla, es una zona donde llega la señal. Al hacer pruebas en este software se logró, que con los parámetros mostrados de transmisor y receptor señalados anteriormente, un alcance de 16km.

Fig.5 Cobertura de Radio Polar

CONCLUSIONES

Como conclusión, el estándar parece lo suficientemente robusto y flexible para acomodar las exigencias requeridas para la transmisión de banda ancha inalámbrica de forma óptima. Los precios tan competitivos que presentará permitirán su implantación en mercados donde la banda ancha no ha llegado aún por distintos factores.
WIMAX, no necesariamente será el sucesor de WIFI, sino que pueden ser complementarios.
WIMAX, logra ahorrar mucho dinero en cableado y la mantención de los enlaces es mucho menor. Por las características de Melipilla, que es una zona pequeña y sin grandes edificios, con unas pocas antenas se podría darle conectividad a toda la ciudad, no como con la cantidad de antenas que se necesitarían con la tecnología WIFI.
RADIO MOBILE es un excelente programa para hacer simulaciones de radio enlace, gracias a los mapas que tienen la topografía de la zona, todos los parámetros que se pueden manipular y lo fácil que se hace manejar este software, comparado con lo que sería hacer los cálculos de forma manual.
Con el software se pudo simular un punto de acceso con las características de comunicación de WIMAX, y se concluye que para el objetivo de conectar la zona sur-poniente de la ciudad es más que óptimo el poner una antena con este tipo de tecnología. Según el radio de cobertura del software, el máximo alcance que tiene este transmisor con 1 Watt de potencia y 18dBi es de 16km a la ciudad, porque para el lado contrapuesto del cerro la señal no llega, pero como no existen grandes niveles de población esto no es un problema.