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18.09.2014

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WaveLAN Projektseiten

Schablone für Slotted Waveguide
Slotted Waveguide Antenne

Die Grundlagen

Auf dieser Seite stellen wir die Entwicklung und den Bau einer Slotted Waveguide Antenne für den Einsatz in Wireless LANs im so genannten 2.4 GHz-ISM-Band vor. Genauer betrachtet kann man sie für Funknetzwerke nach dem IEEE Standard 802.11b und 802.11g einsetzen. Sämtliche Angaben auf dieser Seite sind im Gegensatz zu anderen Anleitungen, die wir im Netz gefunden haben (z.B. die großartige Seite von Trevor Marshall), in metrischen Massen angegeben. Es werden handelsübliche metrische Bauteile verwendet. Ausserdem haben wir für alle Teile auch die Bezugsquelle in Deutschland angegeben, es sollte aber auch kein Problem sein sie im europäischen Ausland, oder generell in Staaten mit metrischem System zu bekommen. Vorteil dieser Antennen ist ihr einfacher Aufbau, ihre Wetterfestigkeit und ihre universellen Einsatzmöglichkeiten als Rundstrahler oder auch als Richtantenne sowie die Tatsache, daß sie aus recht wenigen Teilen bestehen und recht unverwüstlich sind.
Die genaue Funktionsweise dieser Art von Antenne kann man dem online verfügbaren Antennenbuch von Paul Wade entnehmen. Alle Berechnungen für unsere Antenne haben dieses Buch und als Grundlage, unter zur Hilfenahme der dort genannten Excel-Tabelle. Ganz kurz für die Experten: Die Antenne ist eigentlich ein Stapel invertierter Dipole. Die Gesamtlänge des Erregerraumes ist das n-fache der Wellenlänge, für die die Antenne berechnet ist. Die Antenne strahlt das Netz mit horizontaler Polarisation aus wenn sie vertikal montiert wird. Die Strahlungscharakteristik entspricht dann einem Rundstrahler mit einem Öffnungswinkel von 180° auf der Seite auf der die Schlitze sind. Wird die Antenne horizontal montiert ist die Strahlung vertikal polarisiert und die Strahlungscharakteristik ist stark gerichtet. Die Abstrahlrichtung ist genau senkrecht zur Oberfläche der Antenne.

Das Design

Als erstes ist die Frequenz festzulegen, für die die Antenne gebaut werden soll. Das Arbeitsspektrum dieses Antennentyps ist typbedingt recht klein, sollte aber über den gesamten Wireless LAN Frequenzbereich eine gute Leistung bringen. Als Zielfrequenz nehmen wir die ziemlich genaue Mitte des Spektrums, diese liegt in Europa um den Kanal 6 herum (das sind 2,437 GHz). Wenn man die ganze Angelegenheit mal mit den Frequenzen durchrechnet, merkt man schnell, daß die Unterschiede im Rahmen der Bearbeitungstoleranz liegen, aber man sollte zumindest guten Willen zeigen, es so genau wie möglich machen zu wollen.


Grundlage für das Design ist die Tatsache, daß es zwei Wellenlängen gibt. Das rührt daher, daß sich die Welle innerhalb der Waveguide langsamer ausbreitet als in der "freien Wildbahn". Da die Wellenlänge sich aus Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit errechnet, ist bei einer niedrigeren Ausbreitungsgeschwindigkeit die Wellenlänge größer.
Wir haben also zwei Wellenlängen λguide und λluft. Bei der von uns gewählten Frequenz ist λguide = 162.88 mm und λluft = 123,1 mm.´
Für den Aufbau der Antenne benutzen wir ein Aluminium Vierkantrohr mit den Maßen 100x50mm. Die weiter unten gezeigten Schablonen sind für Rohre mit 1 m Länge angefertigt. Die minimale Länge ist 820,4 mm (5x λguide + 2x 3mm)
Die Antenne ist so aufgebaut, daß die Mitte der Schlitze in einem Abstand von 0,5 λguide angeordnet und selber 0,5 λluft lang sind. Die Schlitzbreite sollte 1,59 mm sein. Der Abstand der Schlitze von der Mittellinie beträgt 12,87 mm, sie werden abwechselnd rechts und links von der Mittellinie angebracht. Auf welche Seite man anfängt ist dabei egal.
Die Mitte des letzten Schlitzes ist 0,25 λguide von der Oberkante der Guide entfernt. Auf der anderen Seite ist der Abstand zur Mitte des Emitters 1 λguide und dann von der Mitte des Emitters bis zum Boden der Antenne noch mal 0,25 λguide . Macht zusammen 5 λguide.
Die Röhre muss auf jeder Seite terminiert werden, d.h. abgeschlossen, da die Enden die Wellen reflektieren müssen um einen Resonanzraum zu bilden.


Benötigte Teile

  • 1x Aluminium Vierkant Rohr. (100x50x3) Länge ca. 1m z.B. WMH (www.whm.de) ca. 20 EUR
  • 1x N-Buchse für Flanschmontage. z.B. Reichelt (www.reichelt.de) ca. 1,70 EUR
  • 12x Blechschraube 4mm lang 2 mm stark Baumarkt ca. 1 EUR
  • 1x Kupferblech, benötigt werden 20x40mm z.B. conrad (www.conrad.de) ca. 0,20 EUR
  • Für eine eventuelle Mastmontage werden noch 2 Montagebügel und entsprechende Muttern benötigt.
Werkzeug: Fräse (möglichst kleiner Fräskopf (wir benutzen einen Dremel bzw. eine normale Bohrmaschine mit einem 2.4 mm Zylinderkopf Hartmetall-Fräser.
Für die Montage des Emitters benötigt man außerdem einen Lötkolben und etwas Elektronik Lötzinn. Eine Feile, eine Metallsäge sowie übriges Zubehör zum Basteln sollte sich in jedem Keller oder Geräteschuppen finden lassen.

Alle Details im Überblick
  • Design Frequenz: 2,437 GHz
  • Innenmaße des Alu Rohres: 94x44mm
  • Innenlänge des Resonazraumes: 820,4 mm
  • Länge der Schlitze: 60,10 mm
  • Abstand der Schlitze von der Mittellinie: 12,87 mm
  • Optimale Breite der Schlitze 1.59 mm
  • Abstand der Schlitze (Mitte zu Mitte): 81,44 mm
  • Abstand nach oben von der Mitte des letzten Schlitzes: 40,72 mm
  • Abstand des Emitters zur Mitte des ersten Schlitzes: 162,88 mm
  • Abstand des Emitters zum Boden der Antenne: 40,72 mm
  • Die PDF Schablone für die Antenne zum downloaden.

Der Zusammenbau

Zuerst sollten die Schlitze gefräst werden. Zu diesem Zweck einfach die oben angegebenen Maße auf der breiten Seite des Aluminiumprofils anzeichnen und dann vorsichtig mit der Fräse die Schlitze fräsen. Wir haben hierfür einen Dremel Multi mit Fräsvorsatz und einen Proxim Zylinderkopf Fräser benutzt.


Um ein einfaches Anzeichnen zu gewährleisten kann man die Schablone die hier als PDF Dokument verfügbar ist, ausdrucken. Und dann genau anzeichnen. Die Schablone zeigt auch noch einmal den genauen Aufbau der Antenne.
Nach dem Fräsen der Schlitze sollte man das Loch für den N-Flansch bohren bzw. auch fräsen. Das Loch sollte ca. einen Durchmesser von 1,5 cm haben damit der Emitter hinterher durchpasst. Der Flansch sollte dann aufgesetzt werden um die 4 Bohrlöcher für die Montage anzuzeichnen. Um die Boden und Deckel- Abschlussplatte zu halten müssen auch auf jeder Seite noch 4 Löcher gebohrt werden. Für den Deckel sollten ca. 1,5 mm unter der Oberkante und jeweils 20 mm von den Seiten entfernt zwei Löcher mit einem 1,75 mm Bohrer gebohrt werden.
Die Abschlussplatten erhält man, wenn man, wie in der Schablone eingezeichnet, an der Bodenseite des Rohres zwei jeweils 94x44mm große Stücke herausschneidet und diese dann mit der Feile einpasst. Die Stücke werden nun eingesetzt und mit den Blechschrauben, die sich selber ein Gewinde in das Aluminium ziehen, fixiert.

Nach dem glatten Absägen des Rohres oberhalb der Stelle aus der die Abschlussplatten sind kann der überstehende Rest für Bohrungen verwendet werden um die Antenne später an einem Mast befestigen zu können.
Nun geht es an die Herstellung des Emitters. Diesen haben wir dem Design von Trevor Marshall entnommen. Hierzu schneidet man wie in dem PDF Dokument mit der Schablone angegeben, aus einem halben Kreis (2 cm Radius) die letzen 45° ab und biegt den Rest zu einem gleichmäßigen Kegel. Diesen lötet man dann gerade mit der spitzen Seite auf den N-Konnektor. Wenn alles wieder gut abgekühlt ist steckt man diesen durch das Loch in der Antenne und schraubt ihn mit 4 Blechschrauben fest. Wichtig ist hierbei, daß die Schrauben nicht in die Röhre ragen.

Hat man alles erledigt, ist die Antenne schon fertig und man kann sie an sein Wireless LAN Equipment anschließen.


 


Slotted Waveguide - wireless@ping.de - (2006-03-30 13:47)