Helix antenne (helical antenna) voor 802.11b draadloze netwerktoepassingen

Door: PA0HOO

17 oktober 2002

To slow? Try these mirrors: 1) Dutch mirror 2) qsl

Dutch English

N.B: (Klik hier om direct naar de beschrijving voor de verbeterde helix antenne te gaan) 

Inleiding

Dit  weekeinde wilden ook wij eens zien of een 802.11b verbinding over enige afstand mogelijk zou zijn. Bijgaand onze ervaring, de problemen en, de oplossing. 

Het radiopad

Aan de 'direct zicht' voorwaarde werd, vanaf het dak,  voldaan, Zie foto's

We moesten ongeveer 200 meter overbruggen. Een externe antenne was noodzakelijk

Klik hier om te zien hoe je berekent of een radiopad mogelijk is 

De externe antenne-aansluiting

Onze nieuwe wlan apparatuur werd voorzien van een externe antenneaansluiting.

Ervaring: Gelukkig smelten teflon kabeltjes niet bij het solderen. Er zijn vrijwel altijd teflon kabeltjes gemonteerd. Twee antennes? Geen nood, er wordt altijd maar één antenne gebruikt voor het zend/ontvangst gedeelte. De andere antenne is altijd alleen voor ontvangst. Dat is een 'diversity'-antenne, bedoeld om het beste siganaal uit twee ontvangen signalen te kiezen. Gewoon aangesloten laten. Bij een goede ontvangst op de externe antenne zal de lokale diversity ontvangst-antenne automatisch uitgeschakeld blijven.

'DE ANTENNE'

Op de site van Remco  PA3FYM vonden we een perfecte bouwbeschrijving van een klassieke helix antenne in een modern jasje. Gemakkelijk na te bouwen, goedkoop en niet kritisch. Nabouwen dus. 2 stuks zelfs. 

De teleurstelling

Groot was de teleurstelling dat ons b(r)ouwsel niet deed wat we hoopten. Zelfs over een afstand van pakweg 200 meter bleek een verbinding niet mogelijk.

Waarom??

We besloten de antennes nader te onderzoeken. De afmetingen klopten, de maten waren  conform de bekende en bewezen rekenprogramma’s. (helix_20 van Holger Granholm en ‘HelixCalc’ van Jason Hecker)

Het experiment

Om na te gaan hoe de antennes zich dan wčl gedroegen probeerde we de overdracht 'via de ether' te bepalen in een geďmproviseerde huiskamertest . 
We beschikten alleen over een spectrum analyzer tot 4 GHz, met een tracking generator tot 2450 MHz. 

Groot was onze verbazing dat de antennes het wčl goed deden ruim rond de 1650 MHz, maar dat de gewenste 2450 MHz band net buiten de boot viel.  Alweer de vraag: Waarom??

Nadere beschouwing antenneontwerp

Bij nadere beschouwing is er toch een verschil met de 'gewone' Helix antenne: De gewone helix is 'luchtgewonden', de onze is 'PVC-gewonden'. De formules van Kraus, dus ook de rekenprogramma’s,  gaan uit van luchtgewonden helix antennes. Het betreft hier echter een op een PVC-buis gewikkelde antenne. Binnen het PVC zal de voortplantingssnelheid vanwege zijn hogere ε_r lager zijn dan in lucht, de golflengte wordt dus groter. 

(We zien een vergelijkbaar fenomeen bij antennekabels.  Volkunststof polyethyleen coaxkabel heeft een bijvoorbeeld een verkortingsfactor van ca 66%, voornamelijk bepaald door de diëlektrische constante van de kunstsof isolatie.)

Zou de PVC-buis de oorzaak van de ‘te lage’ frequentie zijn?? Indien ja, dan moet het ontwerp aanzienlijk verbeterd kunnen worden.

Bij onze zelfgebouwde antenne is de gevonden factor tussen ontwerp en realiteit: is 1650/2430 = 0,67. Toeval??

In de leerboeken staat dat de  voortplantingssnelheid met de wortel uit de diëlektrische constante wordt verlaagd. Enkele waarden:

Polyethyleen:  ε_{r =} 2,25; de verkortings factor is hier 1/√2,25 = 0,666 (‘de coax factor’)
PVC: ε_{r =} 4,5; de verkortings factor is dan 1/√4,5 = 0,47
Plexiglas: ε_{r =}  3-3,5, de verkortingsfactor is 1/√3,25 = 0,55

Uit dit lijstje blijkt dat  PVC een relatief  hoge diëlektrische constante heeft. 
Het elektromagnetische veld zal zich voor een groot deel tussen en rond (het draad van) de windingen bevinden. Het aldaar aanwezige PVC zal, gezien zijn hoge ε_r de voortplantingssnelheid ter plaatse merkbaar beďnvloeden. Een deel van het EM-veld zal echter door de lucht gaat.  De verlaging van de ‘gemiddelde’ voortplantingssnelheid zal dus een 'mix zijn. De uiteindelijke waarde zal ergens  liggen tussen de factor 0,47 voor PVC en de  factor 1 voor lucht. De gevonden factor 0,67 zou dus heel goed kunnen

Praktisch wordt dus de werkelijke golflengte in de helix spoel kleiner (bij een gegeven frequente),  of, andersom geredeneerd, de frequentie waarbij de antenne ‘resoneert’ wordt lager bij een gegeven antenneafmeting. En dat is vermoedelijk precies wat we waarnamen.  De PVC-antenne van Remco blijkt immers bij een ca 67% lager frequentie wčl goed te stralen.

Voorlopige conclusie: toeval waar het gaat om het getal 67%, geen toeval waar het gaat om de verlaagde werkfrequentie. 

De proef op de som

We besloten de proef op de som te nemen en aan PVC-helix te bouwen voor een 'te hoge' frequentie. Daarna wilden we de centerfrequentie opnieuw bepalen. 

2430 MHz is ca 67% van 3620 MHz. Dat wordt dus de ontwerpfrequentie die we aan HelixCalc opgeven.

‘HelixCalc’ geeft aan dat de oorspronkelijke helixdiameter van 42 mm te groot is. We kiezen nu een standaard PVC buis   van 32 mm, de windingdiameter zal dan ca 34 mm bedragen. De gevonden waarden voor een 11-draais helix staan in de figuur. Trek 3 tot 4 dB af van de opgegeven waarde, dan heb je de echte gain J. De versterking zou dan ca 16 dB bedragen, niet verkeerd voor zo’n eenvoudige antenne. De afstand tussen de wikkels is Sλ = 2,88 cm. De afstand tussen de eerste volledige wikkel (inclusief stub) en de reflector is  eveneens 2,88 cm.

De reflector houden we conform het oorspronkelijk ontwerp. Die zit immers ‘in de lucht’ en heeft dus geen verkortingsfactor. De reflector blijft dus 14 cm vierkant. 

De ‘wonder’-stub van Jason Hecker houden we vooralsnog intact, dus een driehoekig vaantje van 71 * 17 mm. Zorg dat de lijn van de oorspronkelijke wikkel wordt gevolgd. Zie ook Remco's site

     

De vergelijking

We maakten twee antennes van het oude en twee van het nieuwe ontwerp (eigenlijk verbouwden we de oude tot de nieuwe).
('t Witte kabeltje dat je ziet bij de reflector is onze tijdelijke SMA-aansluiting. De N-connector ŕ la Jason of Remco komt in de definitieve uitvoering. )

In de huiskamer, op een afstand van ca 5 meter, testten we opnieuw de overdracht ‘via de ether’.

Ondanks dat 2450 MHz net de bovengrens van onze tracking generator is  (zie bovenste lijn), is in de testopstelling het verschil tussen beide antennes toch goed te zien: let op de plaats van de marker ten opzichte van de bovenste lijn. 
(de bovenste lijn is de referentielijn en eigenlijk  de frequentieafhankelijke demping van de (dunne) coaxkabel die we voor ons experiment gebruikten)

Let er wel op dat de schalen tussen de metingen 20 dB verschoven zijn, Daardoor lijkt het nog mooier dan het is. Ik vergat ze 'gelijk' te maken. 

Een mooie communicatieanalyser zit helaas niet in het pakket, dus hoe de SWR is, dat weten we niet. Wellicht moet het aanpassingsvaantje ook wat worden veranderd. Wie het weet mag het melden!

Update: (juni 2008): Mark Brasse beschrijft zijn ervaring met de (na)bouw van deze PVC- helix antenne. Hij gebruikt in plaatse van het beschreven aanpassingsvaantje een instelbaar 1/2 λ kortgesloten stripje. Met een zeer goed resultaat! Zie: ( http://www.safe-pc.net/helical.html ).

Praktijkresultaat

In de gewone praktijk bleken de 'verkleinde'  antennes zoveel beter, dat een radiolink, die met de oorspronkelijke antenne ‘onmogelijk’ bleek, nu goed haalbaar is.

Ten slotte: In de literatuur kent men de ''dielectric loaded antenna'. Onze helical is dat eigenlijk ook een beetje. Zie dit voorbeeld, voor liefhebber.

De definitieve 22-draais helix antenne (toevoeging nov-dec 2002)

Onderstaand vind je de resultaten van de bouw van een 22-draais helix volgens het hiervoor beschreven concept.  

Als je de antenne wilt nabouwen, gebruik dan als basis de beschrijving hierna!

We besloten de reflector te voorzien van een omgezette rand waarin een V-vormige inkeping werd gemaakt. Zo kan hij stevig met een uitlaatklem aan de mast kan worden geklemd. De inkeping moet uit het midden liggen anders komt de N-connector tegen de mast. Uiteraard is ook een vlakke reflector van 140 * 140 mm  mogelijk. Een ronde reflector, bijvoorbeeld gemonteerd in een 125 mm PVC eindkap, kan in principe ook. Wij hebben dit (nog) niet uitgeprobeerd. 

De helix spiraal houdt de maten zoals hiervoor aangegeven: 32 mm op PVC buis, de afstand tussen de windingen is 2,88 cm. Gebruik gewoon installatiedraad van 2,5 mm².

We gebruikten nu een 32 mm eindkapje om de PVC-buis op de reflector te monteren. Dus geen 40 mm eindkap met 32 mm verloopstukje. Ook gebruikten we nu één centrale M8-bout met een carrosseriering ter versteviging. Om te voorkomen dat het aanpassingsvaantje contact maak met de carrosseriering hebben we de ring geďsoleerd met twee laagje teflontape (van de loodgieter)  Zie foto. 
Het vaantje houdt de oorspronkelijke lengte, dus deze is iets meer dan een halve golflengte lang (71 mm). Nieuw: Wim Pa0wkm maakte het vaantje aan de brede kans iets langer, waardoor de SWR aanzienlijk beter zou zijn geworden. 
Het vaantje omvat ruim de halve omtrek van de 32 mm buis. We komen met het uiteinde van het vaantje net niet boven de rand van het eindkapje. Wij 'smokkelden' ongeveer 2 mm om het vaantje aan de helixdraad te kunnen solderen,  je kunt ook een hapje uit de rand nemen daar waar de soldering moet komen. Test eerst de antenne, en als hij goed is, bedek dan alle solderingen en uitsparingen met langzaam drogende twee componentenlijm. Zorg dat de antenne in zijn geheel waterdicht is. Monteer hem daarna definitief. 

Van iedere antenne werd de overdracht over de ether tussen twee gelijksoortige antennes gemeten. Uit het spectrogram blijkt dat de versterking tussen de 11-draais en de 22-draais antenne ongeveer 8 dB verschilt. Dat is voor 2 antennes, dus per antenne is dat 4 dB. Het witte kabeltje van de 11-draais antenne blijkt al bijna 1 dB te verzwakken. Het verschil tussen beide antennes is dan nog ongeveer 3 dB, en dat is precies wat de theorie had voorspeld. Ons ontwerp (b)lijkt dus reproduceerbaar. 

Uit het spectrogram blijkt ook dat de Helix antenne verschrikkelijk breedbandig is. Dat is gunstig voor het nabouwen. 'Ongeveer' nabouwen geeft vaak al een goed resultaat. Dit is een voordeel ten opzichte van een Yagi antenne, waar de nabouwnauwkeurigheid hoog moet zijn. 
(Let er bij het interpreteren van het spectrogram op dat onze signaalgever echt stopt bij 2450 MHz. Dus hoe de antenne het daarboven doet, dat weten we helaas niet.)

Onze definitieve 22-draais antenne is voorzien van een N-connector op de reflector.  

11-draais & 21-draais	verschil etheroverdracht tussen een 11-draais en een 22-draais	Bij het vallen van de avond
Bij het vallen van de avond (2)	helix in de mast	daar is het doel

Enkele algemene opmerkingen

Bij een directe 'van punt naar punt' verbinding:
De beste resultaten krijg je met een Helix antenne voor beide stations. Let er op dat beide antennes in DEZELFDE richting zijn gewikkeld. Zijn ze tegengesteld ten opzichte van elkaar gewikkeld, dan is er geen verbinding mogelijk. 
Bij een verbinding via een reflectiepad
Na reflectie keert de draairichting van het EM-veld om. Mocht je gebruik maken van een radiopad dat reflecteert tegen bijvoorbeeld een flatgebouw, (zo kun je 'om de hoek' een verbinding maken)  gebruik dan tegengesteld gewikkelde helix antennes. 
Bij een verbinding door het raam
Gewoon enkelvoudig glas of gewoon isolatieglas zal niet dempen. Anders is het al je door HR-glas (warmtewerend glas) wilt stralen. Daar gaat in het algemeen vrijwel GEEN radiofrequent signaal doorheen. Wees in dat geval dus voorbereid op een teleurstelling...
Door muren en vloeren
Hieronder zie je wat tabellen die ik vond over verzwakking binnen gebouwen. Binnenmuren verzwakken zo'n 6 dB,  betonnen vloeren zo'n 10 tot 30dB. In de praktijk zul je tussen verdiepingen al gauw 'buiten bereik' zijn. 

Bij een verbinding met een Yagi-antenne als tegenstation
Dat kan heel goed, de padverzwakking zal echter 3 dB hoger zijn dan bij een tegenstation met een helix antenne. Een helix laat zich gemakkelijk wat verlengen, dus maak hem eventueel wat langer om die 3 dB verlies te compenseren. Het maakt niet uit of het tegenstation horizontaal of verticaal is gepolariseerd. Het maakt niet uit of de helix links- of rechtsom gewikkeld is. 
Bij een verbinden met een rondstraler (omni directionele antenne)
De resulterende antenneversterking zal ook hier 3 dB lager zijn. Rondstralende antennes met een draaiend RF veld, zoals dus van een Helix-antenne, bestaan niet (of toch wel?). Ook bij contact met een rondstraler kun je de Helix antenne eventueel wat langer maken om die 3 dB verlies te compenseren. Het maakt niet uit of het tegenstation horizontaal of verticaal is gepolariseerd. 
Op welke frequentie zitten de kanalen nu precies?

Let op: de kanalen hebben een flinke overlap! Je moet 4 kanalen verschuiven (!) om helemaal geen last van een nabuurstation te hebben!

Aansluiting op de WLAN apparatuur.

Onze eerste test was met Wlan apparatuur op het dak, dus met USB en UTP het dak op. 

In de definitieve uitvoering gebruikten we IEEE 802.3 kabel. Dat is dikke computernetwerkkabel (van die gele). De kabel die we gebruikten was over van een project. We hebben die kabel nagemeten, hij blijkt bij 2,4 GHz ongeveer 0,3 dB per meter te dempen. Omdat we maar ca 5 meter nodig hebben, verliezen  we slechts ca 1,5 dB. Voor onze korte afstand mag dat niet zoveel uitmaken, 't scheelt op 5 meter maar 0,5 dB met de als uitstekend bekend staande Aircom-plus kabel. (ca  EUR 2,25 per meter bij Schaart in Katwijk). 
Algemene regel: zorg eerst voor vrij zicht en voor voldoende antenneversterking, investeer daarna pas in de kabel als het echt moet. Het vrije zicht doet het meeste. In tegenstelling tot wat veel wordt beweerd is het op de kortere afstand vaak heel  goed mogelijk om met goedkope RG58 kabel een goed werkende verbinding te krijgen. Wil je meer dan pakweg 200 m overbruggen, dan wordt het tijd om alle componenten echt te gaan optimaliseren.  

Op de dikke antennekabel monteer je aan beide zijden een 50 Ohm N-connector. Eén zijde past direct aan de antenne. Bescherm de plug tegen het weer door hem goed met zelfvulcaniserende tape te omwikkelen. 
De andere zijde van de antennekabel kan met een verloopkabeltje op de Wlan apparatuur worden aangesloten. Het teflon verloopkabeltje  (30 cm) dat wij hadden (N naar SMA) bleek ongeveer 1,5 dB te dempen. Dat is gelijk aan 5 tot 7 meter goede coaxkabel (!).  
Als zoveel demping kritisch is, dan kun je wellicht een verloopplug kopen die veel minder demping heeft.  In de uitvoering  N naar SMA bestaan er verlooppluggen. (-ook- N naar reverse SMA). Ongeveer € 12,- per stuk.  Als je er geen kunt vinden kunnen wij je eventueel een een verloopplug helpen. 
Als je een verloopplug zoekt voor een exotische plug die al op je Wlan apparatuur zit, dan zal je dat vermoedelijk niet lukken. Kijk voor verloopkabeltjes (pigtails) eens rond op de wiki site van  www.wirelessleiden.nl. Of pak de soldeerbout... net als wij.

Ten slotte nog een paar links:

Veel geraadpleegde bronnen in Nederland zijn:

pioniers: www.wirelessleiden.nl
forum: www.wirelessnederland.nl 
portal: portal.wirelessnederland.nl

Eventuele reacties aan: pa0hoo(deletethis)@qsl.net Laat (delitethis) weg i.v.m. automatische spamgeneratoren.

73, pa0hoo