خانه / دانش و مهارت / الکترونیک / آنتن WiFi را از صفر تا صد بشناسید و خودتان آنتن بسازید !

آنتن WiFi را از صفر تا صد بشناسید و خودتان آنتن بسازید !

شاید این را نمی دانستید، اما یکی از عوامل سرعت ارتباطات بی سیم وای فای ، انرژی امواج رادیویی است که از فرستنده وای فای فرستاده و دریافت می شود. آنتن های بهتر باعث ایجاد پوشش بهتر می شوند و شناخت اصول ابتدایی آن ها می تواند شما را در انتخاب آنتن WiFi درست و استفاده بهینه از آن و حتی بالا بردن سرعت وای فای یاری کند.

در این مقاله ابتدا با اصول بنیادی همه انواع آنتن ها از جمله آنتن WiFi آشنا می شوید ، با مفاهیم طول موج ، فرکانس ، پلاریزاسیون یا قطبیدگی و بهره با گین (Gain)  آشنا می شوید و در پایان یاد می گیرید که یک آنتن WiFi چگونه ساخته می شود و محصولات ساخت کارخانه ها چه فرقی با نمونه های دست ساز دارند .

اصول بنیادی همه آنتن ها

با این که مسیر اصلی ما در این مقاله شناخت آنتن WiFi است، اما باید بگوییم همه آنتن های اطراف شما ، از رادیو گرفته تا آنتن WiFi از اصول یکسانی پیروی می کنند. برای همین،اطلاعات زمینه ای در مورد این قطعه می تواند شما را در خیلی از کار ها کمک کند ! از شنیدن صدای واضح رادیو ، تصویر خوب تلویزیون یا سرعت بیشتر اینترنت !

آنتن یک دستگاه است که وقتی به سیگنال الکتریکی وصل می شود، آن را به صورت امواج رادیویی از خود ساتع می کند و اگر امواج رادیویی به آن برخورد کند ، آن را در خروجی به صورت سیگنال الکتریکی تحویل می دهد. آنتن های برخی اوقات عمدا و با منظور مشخص طراحی و ساخته می شوند (مانند آنتن WiFi در یک مودم وایرلس) و برخی اوقات هم آنتن ها در واقع به قصد آنتن بودن طراحی نشده اند،اما آن ها را به عنوان یک آنتن استفاده می کنیم (مانند سیم هندزفری شما که برای رادیوی گوشی هوشمند شما تبدیل به آنتن می شود! ).

Router-Earbuds

طول موج ، فرکانس و ابعاد

امواج رادیویی مثل همه امواج دیگر در طیف امواج الکترومغناطیسی، با فرکانس شناسایی می شود. واحد اندازه گیری فرکانس هرتز است که با Hz نشان داده می شود. که در واقع یک دور کامل در ثانیه است. واحد اندازه گیری هرتز به افتخار دانشمند معروف هنریش رودلف هرتز ، اولین کسی که نشان داد امواج الکترومغناطیسی نامرئی وجود دارند ، نام گذاری شده است .

معمولا فرکانس امواج رادیویی چنان بالاست که واحد هزار هرتز (کیلوهرتز) ، میلیون هرتز (مگاهرتز) یا میلیارد هرتز (گیگاهرتز) برای نشان دادن فرکانس امواج رادیویی مانند امواج شبکه WiFi به کار می رود. علاوه بر هرتز که واحدی برای شمارش فرکانس است، امواج رادیویی را با واحد دیگری به نام طول موج هم می سنجند. همانطور که حتما حدس زده اید ، در واقع طول موج و فرکانس به هم مربوط هستند . فرمول زیر رابطه طول موج و فرکانس یک موج رادیویی را نشان می دهد :

wavelength (in meters)  = 300 / frequency (in MHz)

برای مثال : موج رادیویی با فرکانس 14.3 مگاهرتز دارای طول موج 20.979 متر است . یعنی موج در خلال کامل کردن یک دوره کامل از لحاظ فرکانس از لحاظ طول 20.979 متر را می پیماید.

این رابطه بین فرکانس و طول موج برای طراحی ابعاد به شدت مهم است . به این دلیل که طول موج امواج رادیویی که آنتن با توجه به آن ها طراحی شده است ، رابطه مستقیمی با ابعاد آن خواهد داشت. در این جا به یک نکته پی می بریم :

برای هر طول موج رادیویی آنتنی مناسب لازم است و نمی توان آن ها را به جای هم استفاده کرد. مثلا نمی توان آنتن رادیو را به جای آنتن وای فای استفاده کرد.

آنتن های دو قطبی

یکی ساده ترین آنتن های ممکن به دوقطبی نیم موج (Half-wave dipole) معروف است.این آنتن نصف طول موج، طول دارد و از دو نیمه ساخته شده است که هر نیمه در واقع یک چهارم طول موج رادیویی مورد نظر ما، طول دارد و هر نیمه آن به وسیله یک هادی جداگانه تغذیه می شود .

در ساختنی بخوانید :  انرژینو؛ شیلد مانیتورینگ مصرف انرژی برای آردوینو

برای همین موج 14.3 مگاهرتزی در مثال قبلی ما ، یک آنتن دو قطبی باید 10.4895 متر باشد. این دو قطبی همان طور که از اسمش هم می توانید حدس بزنید دو قسمت دارد که هر قسمت طولی برابر با 5.24476 متر دارد. توجه کنید! این طول ها محاسبه شده در تئوری هستند . آنتن ها همیشه به اندازه طول دقیق تئوری ساخته نمی شوند، زیرا این مقدار از دقت امکان در ساخت پذیر نیست !

عکس های زیر نشان دهنده یک آنتن دو قطبی دست ساز برای گیرنده تلویزیون دیجیتال است و نشان می دهند که ساختار دو قطبی چقدر ساده است .

همان طور که می بینید ، شاخه های آنتن از شاخه های فولادی آویز لباس درست شده اند و با پیچ و مهره به کابل هم محور وصل شده اند. یک تکه کوچک از پرف بورد (برد سوراخ آماده PCB) هم در مرکز به عنوان شاسی و ایزوله کننده دو قطب به کار رفته است و با همین ساختار ساده، می تواند سیگنال های تلویزیون دیجیتال HD را از فاصله 32 کیلومتری از فرستنده گرفته و به تلویزیون تحویل داد.

پلاریزاسون (قطبیدگی) آنتن

مفاهیم پلاریزاسیون یا قطبیدگی دارای معادلات ریاضی بسیار پیچیده ای است که در سطح این مقاله نیست . برای همین ما تا آنجا که می شود این مفهوم را ساده بیان کرده ایم . جای گیری فضایی آنتن در مقایسه با سطح زمین را پلاریزاسیون آن می گویند !

آن دسته از آنتن هایی که برای این طراحی شده اند که امواج رادیویی که موازی با سطح زمین حرکت می کنند را دریافت کنند به با پلاریزاسیون ” افقی” و  آن ها که برای دریافت امواج رادیویی عمود بر سطح زمین طراحی شده اند را پلاریزاسیون ” عمودی ” می گویند.

برخی انواع مختلف آنتن ها ، مانند همین دو قطبی خودمان را می توانند با یک چرخش ساده در هوا برای همه پلاریزاسیون ها استفاده کرد . در عکسی که در پایین می بینید . شاخه های دو آنتن دو قطبی موازی با سطح زمین هستند و در نتیجه پلاریزاسیون افقی است. اگر این آنتن دو قطبی را 90 درجه بچرخانید ، پلاریزاسیون آن عمودی خواهد شد . به همین سادگی !

عواملی که باید برای انتخاب پلاریزاسیون در نظر بگیریم شامل : فرکانس کاری ، پوشش مورد علاقه ما ، موانع مکانیکی سر راه آنتن و عرف سازندگان وسایل مخابراتی است . خیلی مهم است که به یاد داشته باشید که همه آنتن ها در یک سیستم مخابراتی باید از یک پلاریزاسیون استفاده کنند. وفتی در یک سیستم چند نوع پلاریزاسیون داشته باشیم یا وقتی نمی دانیم پلاریزاسیون سیستم چیست . از پلاریزاسیون دایره ای استفاده می شود که سازگاری به حداکثر برسد. آنتن های Wi-Fi معمولا دارای پلاریزاسیون عمودی هستند .

بهره آنتن (Gain)

اکثر آنتن ها ، امواج رادیویی را در برخی از جهت ها بهتر می فرستند (یا می گیرند) . ما به اصطلاح می گوییم بهره در آن زاویه ها بهتر است. در واقع می توانید بگوییم توان موثر ساتع شده از آنتن (ERP) در این جهت ها بهتر است. دقت کنید ، توان کل ساتع شده تغییری نمی کند. فقط آنتن در جهت هایی خاص توان بیشتری از جهت های دیگر ارسال می کند یا در جهت هایی توان کم تری ارسال می کند. حتی یک دو قطبی کاملا ساده در دو جهت “بهره” بهتری دارد . جهت موازی با شاخه هایش در هر دو طرف جلو و عقب !

وقتی ERP در یک زاویه خاص بیشتر است ، می گویم در آنتن در آن جهت بهره دارد . بهره هم در فرستادن و هم در گرفتن امواج رادیویی به کار می آید. واحد اندازه گیری بهره آنتن دسیبل ( dB ) است. یک دسی بل در واقع یک دهم بل است پس در واقع می توانیم بگوییم اساس واحد اندازه گیری، واحد بل (Bel) است .

در ساختنی بخوانید :  دستور تهیه : سس گوجه خانگی درست کنید

این واحد اندازه گیری به احترام الکساندر گراهام بل دانشمند نامی و مخترع تلفن، نامگذاری شده است . اندازه گیری بل و دسیبل هم ریاضیاتی دارد که بالاتر از سطح این مقاله است . این ریاضیات بیشتر به تابع های لگاریتمی بستگی پیدا می کند. همین کافی است که بدانید هرچه این دسیبل بالا تر باشد ، بهره آنتن بالا تر است .

علاوه بر واحد dB ، از واحد دسیبل ایزوتروپیک (Isotropic dB) یا به اختصار dBi هم استفاده می شود . در این تکنیک اندازه گیری و ارزیابی ، آنتن واقعی را با یک مفهوم فرضی به نام آنتن ایزوتروپیک مقایسه می کنند . مفهوم یک آنتن ایزوتروپیک (همگرا یا همگن یا بی جهت) یک آنتن فرضی است که امواج رادیویی را به شکل یکدست و مانند یک کره منتشر می کند . واحد dBi معمولا به یک دلیل بسیار ساده بیشتر در نشان دادن بهره استفاده می شود :

با استفاده از این واحد به اعداد بزرگ تری می رسید ! که این احساس را ایجاد می کند که گویی آنتن دارای بهره های خیلی بالایی است. در حالی که بهره آنچنان هم بالا نیست ! بله، قضیه کاملا به فروش و بازاریابی باز می گردد و نه یک دلیل علمی معتبر .

این که یک محصول مانند آنتن WiFi را چگونه با معیار dBi می سنجند خیلی مهم نیست. برای این کار هم باید از همان توابع لگاریتمی با چند تغییر کوچک در فرمول ها استفاده کنید. فقط این نکات یادتان باشد :

  •  بالاتر بودن dB یا dBi نشان دهنده بهره بالاتر است .
  • وقتی می خواهید دو محصول را با هم مقایسه می کنید ، یادتان باشد هر آن ها باید با یک معیار ارزیابی شده باشند . نمی توان dB را با dBi مقایسه کرد.

فرکانس های WiFi

باند ها یا طیف های فرکانس WiFi پنج دسته هستند : 2.4 ، 3.6 ، 4.9 ، 5.0 و 5.9 گیگاهرتز. این که کدام دسته از باند های فرکانسی استفاده می شود به این که در کدام کشور زندگی می کنید بستگی دارد. کشور های مختلف بسته به قوانین داخلی و قوانین و کنوانسیون های بین المللی مجوز استفاده از باند های فرکانسی خاصی از بین باند های معرفی شده در کشور خود را صادر می کنند . اکثر کشور ها از جمله ایران، طبق بخش نامه سازمان تنظیم ارتباطات رادیویی ایران پروانه فعالیت اینترنت بی سیم (Wireless) عمومی مانند فعالیت های ارتباطی WiFi در باند 2.4 گیگاهرتز را مجاز است. برای همین دلیل هم در ادامه این مقاله فرکانس WiFi را 2.4 گیگاهرتز فرض خواهیم کرد.

باند 2.4 گیگاهرتز در واقعی دسته فرکانس هایی بین 2.4 گیگاهرتز تا 2.5 گیگاهرتز است . وسط این دسته جایی در فرکانس 2.45 گیگاهرتز است . این فرکانس که ما به آن فرکانس مرکزی وای فای می گوییم برای طراحی آنتن WiFi استفاده می کنیم .

شاید برای شما سوال پیش بیاید که فاصله فرکانس 2.4 گیگاهرتز تا 2.5 گیکاهرتز فاصله کمی نیست . در واقع این فاصله به اندازه 0.1 میلیارد هرتز یا 100 میلیون هرتز است .در واقع ما می توانیک همه شبکه های رادیویی FM را در این فاصله جای دهیم . پس این همه تغییر در فرکانس برای چیست ؟

این تغییر در فرکانس به دلیل تکنیکی به نام مدولاسیون یا سوار کردن اطلاعات بر امواج ایجاد می شود. در واقع ارتباطات بی سیم با همین تغییر های فرکانس است که اطلاعات را بین شما و مودم WiFi تبادل می کنند و در نتیجه شما به شبکه اینترنت وصل می شوید . این موضوع چنان پیچیده و مفصل است که می توانید آن را در دانشگاه ها تا مقطع دکترا طی کنید !

در ساختنی بخوانید :  آموزش ساخت : آویز روسری و کراوات بسازید

ابتدا سعی می کنیم طول موج در امواج WiFi را بدست می آوریم :

wavelength (in meters)  = 300 / frequency (in MHz)

wavelength (in millimeters)  = 300 / frequency (in GHz)

طول موج امواج WiFi با فرکانس مرکزی فرض ما یعنی 2.45 گیگاهرتز حدود 122.45 میلی متر است . یک دو قطبی برای امواج WiFi باید دارای طولی برابر با 61.22 میلی متر داشته باشد. پس هر کدام از دو قسمت این دو قطبی باید طولی در حد 30.61 میلی متر داشته باشند .

آنتن WiFi دو قطبی بسازید !

قبلا هم در یکی از پروژه های ساختنی روش ساخت یک آنتن وای فای ساده را به شما آمورش داده بودیم . حالا می خواهیم شما را با روش علمی ساخت یک آنتن WiFi آشنا کنیم . عکس زیر یک آنتن WiFi را نشان می دهد که از یک مودم مسیر یاب (Modem/Router) با فرکانس 2.4 گیگاهرتز جدا شده است . زیر آنتن WiFi به شکلی درست شده است که مستقل از جاگیری مودم ، بتوانیم آن را طوری خم کنیم که همیشه به شکل عمود بر سطح زمین بماند . این آنتن را از پوشش پلاستیکی اش بیرون آورده ایم تا ساختار داخلی آن را بهتر ببینید :

آنتن WiFi ساخت کارخانه :همان طور که می بینید در داخل پوشش پلاستیکی دو قطب وجود دارد
آنتن WiFi ساخت کارخانه :همان طور که می بینید در داخل پوشش پلاستیکی دو قطب وجود دارد

گرچه ممکن است در ابتدا به نظر آشنا نیاید . اما این یک آنتن دو قطبی است ! یکی از قطب های آنتن WiFi که در تصویر می بینید سیم سفیدی است که به سمت چپ کشیده شده است .قطب دوم این آنتن WiFi هم استوانه فلزی است که در تصویر دیده می شود. هر نیمه از آنتن WiFi باید به شکل الکتریکی از هم دیگر جدا باشند (ایزوله باشند) . هر کدام از آن ها باید یک چهارم طول موج WiFi باشند . آنتن های WiFi معمولی ، معمولا دارای بهره ای برابر با 2dBi است  و معمولا یک الگوی دایره ای در انتشار امواج دارند.

چه در آنتن WiFi دست ساز ما و چه محصول وای فای ساخت کارخانه ، سیمی که سیگنال الکتریکی را منتقل می کند (Feedline) از یک طرف به دو قطبی وصل است و از طرف دیگر به یک فرستنده / گیرنده رادیویی . معمولا این خط انتقال یک کابل هم محور (Coaxial) است که از یک هادی داخلی و یک سیم بافته خارجی به نام شیلد (Shield) یا سپر محافظ تشکیل شده است که همه این هادی ها در یک عایق پلاستیکی قرار گرفته اند. شیلد کار محافظت سیگنال از نویز های محیط اطراف را بر عهده دارد ، برای همین هم به این نام شناخته می شود. این خطوط انتقال معمولا در دستگاه های WiFi استفاده زیادی دارند. دلیل آن هم حجم و تلفات کم این خط های انتقال است. این سیم ها را با استاندارد RG-178 شناسایی می کنند.

یک طرف این کابل های هم محور به مدار های مودم وصل می شود.همان طور که در عکس زیر می بینید. دقت کنید که سیم شیلد به خوبی و با مقدار زیادی از قلع به قسمت زمین (Ground) مدار لحیم کاری شده است و هادی اصلی در مغز کابل هم محور هم به قسمتی از مدار لحیم شده است که به خروجی فرستنده / گیرنده وصل می شود.

وصل شدن کابل هم محور یا کواکسیال (Coaxial) به فرستنده / گیرنده
وصل شدن کابل هم محور یا کواکسیال (Coaxial) به فرستنده / گیرنده

برخی اوقات این کابل ها را با لحیم کاری به مدار وصل می کنند و گاهی اوقات از بست ها و سوکت هایی استفاده می کنند که با فشار در هم چفت می شوند . شما هم می توانید از هر دو تکنیک استفاده کنید .

منبع

خلاصه مطلب
آنتن WiFi را از صفر تا صد بشناسید و خودتان آنتن بسازید !
عنوان مطلب
آنتن WiFi را از صفر تا صد بشناسید و خودتان آنتن بسازید !
توضیح کوتاه
با استفاده از این مقاله از روش کار آنتن WiFi سر در بیاورید و با فرا گرفتن اصول ابتدایی آنتن های مختلف از جمله آنتن WiFi برای خودتان آنتن بسازید !
نویسنده

بیشتر بخوانید:

مدار الکترونیکی تصفیه کننده هوا با ازن ( ازن ساز )... در ادامه پست های مدار های الکترونیکی ساختنی ، امروز یک مدار الکترونیکی بسیار کاربردی را به شما تقدیم می کنیم . مدار دستگاه تصفیه کننده هوا ازن ساز (Oz...
در عرض 10 دقیقه خوراک مرغ تایلندی درست کنید... پادگرا پروگای (ผัดกระเพราไก่)؛ این اسم محلی غذای تایلندی است که امروز طرز پختش را یاد می گیرید. برخلاف این اسم عجیب و غریب، پختن این خوراک مرغ تایلندی...
راتاتویی بپزید و آن را به سبک فرانسوی تزیین کنید... راتاتویی یک غذای خوشمزه است و البته بهترین راه برای افزایش مصرف سبزیجات است. این غذای 100 درصد گیاهی و سالم یکی از بهترین بشقاب ها برای گیاهخواران است...
آموزش ساخت : مدار آمپلی فایر خودرو بسازید... در این پست ساختنی طرز ساخت مدار آمپلی فایر خودرو با TDA2003 را یاد می گیرید. برای ساخت این مدار الکترونیکی از قطعات ارزان و معمولی استفاده میشود و ساخ...
با برد آردوینو دستگاه شمع سازی ساده اما کارآمد بسازید... در این ساختنی یک پروژه آردوینوی متفاوت را یاد می گیرید. دستگاه شمع سازی که تکه های باقیمانده شمع های قدیمی را به شمع های جدید تبدیل می کند. اگر قبلاً ...
آموزش ساخت : با پوست نارگیل جعبه تزیینی بسازید... در این ساختنی طرز ساخت یک جعبه تزیینی با پوست نارگیل را می آموزید. از پوست نارگیل استفاده های زیادی میتوان کرد که شاید ساده ترین آنها ساخت یک جعبه باش...

درباره مهرداد جمالی

مهرداد جمالی

مهرداد جمالی ، متولد 1367 ، دانش آموخته رشته لیسانس مهندسی مخابرات دانشگاه ملی زنجان و دانشجوی ارشد مدیریت صنعتی است. وی بنیان گذار اصلی پروژه ساختنی و یکی از مدیران ارشد وبسایت است.

پیشنهاد می کنیم

با کمترین هزینه دانخوری اتوماتیک و پدالی بسازید

دانخوری اتوماتیک یکی از وسایلی است که نگه داری پرنده ها را ساده تر می …

یک دیدگاه

  1. بسیار جالب و کاربردی بود.ممنون موفق و پیروز باشید.

پاسخ دهید