Over het bouwen van de biquad of doppel-quad is al heel veel geschreven. Toch blijken er op ons forum steeds weer vragen te zijn bij nabouwers. Ik hoop met dit artikel licht te kunnen brengen in de biquad duisternis. En mocht er desondanks tóch iets niet duidelijk zijn, stel uw vraag dan gerust in de werkplaats op het forum.

De biquad antenne

De biquad antenne is een makkelijke antenne om zelf te bouwen en al populair lang voordat ik deze bouwbeschrijving heb gemaakt. Ook zendamateurs gebruiken deze antenne in een aantal variaties. Zo staat deze antenne bijvoorbeeld beschreven in het boek "UHF Unterlage" en worden verschillende commerciële uitvoeringen aangeboden. De hier beschreven simpele uitvoering kost circa 10 Euro om te bouwen en heeft naar keus een female N-connector of een vast gemonteerde aansluitkabel zodat de antenne direct op uw Access Point, Wireless Router of PCI Wifi netwerk kaartje aangesloten kan worden. De versterking is ongeveer 8dBi en de prestaties zijn te vergelijken met die van commerciële 8dBi paneel antennes, voor een fractie van de prijs. De biquad is een richtantenne, met een horizontale en verticale openingshoek van 60 graden. Het dekkingsgebied van de antenne is voor te stellen als een kegel, waarbij de antenne zich in de top van de kegel bevindt.

Figuur: Biquad antenne van printplaat op de meetplaats op WOAF 2004 (Antenne 50 van de meting)

Figuur: Theoretische versterking en stralingspatroon van de Biquad antenne

Toepassing

Met deze biquad antenne op een Wifi Client, is contact te leggen met 54Mbps met een Wifi Access Point met standaard antenne tot zo'n 75 meter afstand - mits er tussen de twee antennes van het AP en de client geen obstakels staan. Men noemt dit 'line of sight'. Onder dezelfde voorwaarde is het mogelijk om met twee Biquad antennes (één aan elke zijde van de verbinding) een afstand van zo'n 200 meter te overbruggen. Hierbij het ik rekening gehouden met een veiligheids marge van 2. Een afstand van 400 meter is ook te overbruggen, maar kan een wat minder stabiele verbinding opleveren.

De biquad kan ook gecombineerd worden met bijvoorbeeld een rondstralende antenne, in Wifi jargon ook wel Omni genoemd (van het Engels: Omnidirectional Antenna). Met een combinatie van een 8dBi omni en een biquad is dezelfde afstand van 200 meter te overbruggen. Voordeel van een omni (op een Access Point), is dat het Access Point zo door clients uit verschillende richtingen te benaderen is.

Constructie

De antenne bestaat uit een straler en en reflector. De straler is een gebogen koperdraad die met de coaxkabel verbonden is. De reflector is een metaalplaat die de door de straler uitgezonden fotonen reflecteert in de gewenste richting. De reflector maak ik van printplaat omdat dat makkelijk te verkrijgen en te solderen is. Elk ander metaal voldoet. Zelfs met aluminium tape beplakt karton, zoals de "Fakedesign" WirelessNederland biquad op de foto hieronder.

Figuur: Fakedesign WirelessNederland logo Biquad antenne

Deze antenne, hoewel volledig functioneel, is vooral gemaakt om de aandacht van passanten te vangen in plaats van radiogolven. Zo zijn er op internet nog wel meer 'fun' designs te vinden, zoals de Biquad antenne gemaakt in een CD spindel, met een CD als reflector.

Op deze pagina staan twee ontwerpen. Eén ontwerp met een female N-connector op de reflector, en de tweede met een vast gemonteerd stuk coax kabel. De eerste is met een 'pigtail' aan te sluiten op elk apparaat dat aan de IEEE802.11b of IEEE802.11g norm voldoet en over een aansluiting voor een externe antenne beschikt. Voor de tweede uitvoering vervalt de pigtail; de vereiste Wifi apparatuur connector wordt direct op de coaxkabel gemonteerd.

Voor diegenen, die het bouwen liever aan een ander over laten, heb ik een beperkt aantal antennes beschikbaar.

Pigtails en N-connectoren

Wifi apparatuur maakt gebruik van de vrij toegankelijke 2,4GHz  ISM band. De N-connector is een wijd verbreide norm steker voor gebruik op deze frequentie. Hij heeft een geringe demping (= verlies van signaal) en de juiste impedantie (50 Ohm). Voor hoogfrequent is de connector eigenlijk onzichtbaar; de radiogolven passeren ongehinderd van de ene coax kabel, via de N-connector, naar de andere coax kabel. Daarom wordt de N-connector toegepast op de meeste professionele antennes voor de 2,4GHz ISM band.

Op Wifi apparatuur mag deze connector (door de fabrikant) niet gebruikt worden. Alleen een vaste antenne, of een non-standaard aansluiting mogen gebruikt worden. Dit is een poging om gebruik van deze apparatuur beperkt te houden tot inpandige toepassingen. De industrie bedacht daarvoor verschillende oplossing, waarbij de RP-SMA en RP-TNC zó vaak toegepast worden, dat deze een norm op zich zijn gaan vormen. Om apparatuur aan te sluiten op een antenne is dus een aansluit kabel nodig met aan de ene zijde een Wifi plug als de RP-TNC of RP-SMA en aan de andere zijde een male N-connector (die past op de female N-connector van de antenne). Zo een aansluitkabel noemt met een pigtail.

Een RP-SMA (goudkleurig) naar male-N (zilverkleurig) verloop kabel of 'pigtail'.

Maar waarom zou je als je zelf een antenne bouwt gebruik maken van deze dure N-connectoren? Als je

• Geen apparatuur hebt om metingen aan antennes te verrichten en
• Niet de behoefte hebt om snel van antenne te kunnen wisselen

dán kun je net zo goed deze connectoren weglaten en de coaxkabel direct aan de antenne aansluiten. Een simpel messing buisje verstevigt de coaxkabel (RG-58) om de straler op de juiste plaats te houden ten opzichte van de reflector. RG-58 is een goedkope coaxkabel die op de gebruikte frequentie veel verlies geeft. Blijft de kabel echter korter dan 1 meter, dan is dat verlies nog best acceptabel!

Materiaal

Het benodigde materiaal verschilt iets voor de twee versies van de antenne:

Biquad met female N-type connector		Biquad met vast gemonteerde pigtail
Dubbelzijdig printplaat 123 x 123mm (Standaard 100x150mm voldoet goed)		Dubbelzijdig printplaat 123 x 123mm (Standaard 100x150mm voldoet goed)
300mm koperdraad, circa 2 to 3mm dik. 2,5mm2 Installatiedraad - ontdaan van isolatie - voldoet uitstekend		300mm koperdraad, circa 2 to 3mm dik. 2,5mm2 Installatiedraad - ontdaan van isolatie - voldoet uitstekend
N-Female chassisdeel met flens en rigid coax		RP-SMA, RP--NC of andere Wifi connector voor montage op RG-58 coaxkabel, passend op uw apparatuur.
		RG-58 coaxkabel, maximaal 1 meter lang
		5mm messingbuis, circa 30mm lang

Aan de slag!

Op de tekening hieronder is het vooraanzicht van de antenne te zien. De coaxkabel is te zien in het voedingspunt van de straler. De kern (middengeleider) van de coaxkabel is verbonden met de linker helft van de straler. De gevlochten mantel (afscherming) van de coaxkabel met de rechter helft. De straler bestaat uit twee quads (vandaar de naam bi-quad) boven - of naast - elkaar.

Figuur: Vooraanzicht van de Biquad antenne

Maak de reflector van een stuk dubbelzijdig printplaat (dat is printplaat met een koperlaag aan beide zijden). De meest optimale maat is 123 x 123mm. Het materiaal dat ik gebruik is 110mm breed. Dat geeft ook een acceptabel resultaat. Maar ook een standaard formaat printplaat als 100x150mm kan gebruikt worden. Echt kritisch is de afmeting niet! Een reflector kleiner dan 100x100mm is echter niet aan te bevelen. Ook enkelzijdige printplaat is bruikbaar. Hou het kopervlak in dat geval aan de zijde van de straler. Dubbelzijdig printplaat geeft een iets steviger constructie; de N-connector of coax kabel kan straks aan twee zijden aan de reflector vast gesoldeerd worden. Markeer het midden van de reflector en boor een gat ter grootte van de messingbuis of rigid coaxkabel van het N-connector chassisdeel.

Figuur: Zijaanzicht van de Biquad antenne - uitvoering met Female N-connector

Soldeer de female N-connector chassisdeel op de reflector. De bovenzijde van de mantel van de rigid coax moet exact 15mm boven de printplaat uitsteken. Dit is een kritische afmeting. De kern steekt daar weer 3 tot 4mm boven uit.

Figuur: Zijaanzicht van de Biquad antenne - uitvoering met vaste pigtail

Voor de Biquad met pigtail geldt hetzelfde, Soldeer circa 30mm 5mm messingbuis in de reflector. De bovenzijde van de buis moet 15mm boven de reflector uitsteken. Dit is een kritische afmeting. De RG-58 coaxkabel wordt over een langte van ongeveer 40mm ontdaan van de buitenisolatie en door de messing buis heen gestoken. De mantel wordt vlak onder de straler aan de buis vast gesoldeerd.

Figuur: De bouw van de biquad met pigtail in stappen. Klik op de plaatjes voor een grotere foto.

Vanaf nu zijn de werkzaamheden voor beide uitvoeringen weer gelijk. We gaan de straler maken van circa 300mm koperdraad. Ik gebruik 2,5m2 installatiedraad. Eerst strek ik de draad tussen twee tangen, om de draad mooi strak te krijgen. Isolatie eraf en afknippen op exact 244mm. Alle maten van de straler zijn kritisch! Voorzie de draad van een markering op elke 30,5mm.

Figuur: Aftekenen straler van de Biquad antenne

Vouw de draad vervolgens op de markeringen. Eerst in het midden, zodat er straks exact 122mm draad in elke quad gaat zitten. De eerste vouw moet zo goed mogelijk in het midden van de draad zitten. De locatie van de andere bochten is minder belangrijk. Probeer de hoeken haaks te maken. Dit staat mooier als de antenne straks af is...

Figuur: Vooraanzicht van de Biquad antenne

De figuur hierboven geeft bij benadering de afmetingen van de straler als deze klaar is. De maten zijn echter niet belangrijk. Wat telt is de lengte van de draad die we in de quads verwerkt hebben; exact 122mm in beide quads dus (244mm voor de gehele straler). Zorg dat de straler vlak op tafel kan liggen, zonder grote luchtspleten.

Soldeer de straler op de rigid coax of RG-58 coax en de messing buis. De twee uiteinden van de straler komen hierbij aan de kern van de coax, het gevouwen middendeel aan de mantel van de coax en eventueel de messing buis. Let erop, dat de straler precies 15 tot 16mm boven de reflector komt. Dit is wederom een kritische afmeting! Denk erom, dat de haartjes van de mantel geen kortsluiting mogen maken met de kant van de straler die met de kern van de coax verbonden is.

Figuur: Het begint nu eindelijk op een antenne te lijken.

Doe een stukje krimpkous om de coaxkabel aan de messing buis aan de achterzijde van de antenne. Nodig is dat niet, netjes wel. Krimp de kous met een elektrische föhn...

Tot slot sluit je de gewenste connector aan op het stukje coaxkabel dat aan de antenne vast zit. Hou je hierbij aan de aanwijzingen van de fabrikant van de connector. Ik gebruik een aanknel versie van de RP-SMA connector. Hiervoor is een speciale tang nodig. vaak echter kan de leverancier de connector voor je aan de kabel zetten, tegen een geringe vergoeding.

Figuur: Bescherm de straler tegen de elementen.

De straler van de Biquad is gevoelig voor invloeden van buitenaf. Water en onbedoeld verbuigen van de straler beïnvloeden de prestaties van de antenne op een negatieve manier. Je kunt de straler beschermen door er een plastic doosje omheen te lijmen met zuurvrije siliconen kit. Let erop, dat het doosje geschikt is voor gebruik in de magnetron; zo weet je zeker dat de demping van de Wifi straling minimaal is. Ik gebruik hier een opberg doosje van de Xenos, verkrijgbaar in de kleuren doorschijnend blauw en geel. Ontvet de printplaat en het doosje, en schuur de oppervlakken licht op, daar waar de siliconenkit aangebracht wordt.

Figuur: Het eindresultaat.

Het eindresultaat ziet er uit als een echte antenne. En beter nog; het ís een echte antenne. In prestaties vergelijkbaar met een 8 dBi paneelantenne die een veelvoud kost. Indien de antenne buiten gemonteerd gaat worden, bescherm de printplaat dan tegen de weersinvloeden met een paar lagen spuitlak.

Antenne testen op goede werking

Hoe de antenne te testen is zonder gebruik te maken van dure meetapparatuur, heb ik getracht uiteen te zetten op mijn Antenne-test pagina.

Montage van de antenne

Voor de meest stabiele verbinding, monteer je de antenne zo dat deze een zichtverbinding heeft met de antenne aan de andere kant van de verbinding. De antenne reflector is te bevestigen aan een metalen versteviginghoek. Zet de hoek met een tweetal boutjes vast aan de reflector. Bevestig de andere poot van de versteviginghoek met een uitlaatklem om de antennemast, of bijvoorbeeld de spijlen van je balkonhek. Metalen versteviginghoeken en uitlaatklemmen zijn verkrijgbaar bij de bouwmarkt.

Bescherm de connector tegen weer en wind met vulcaniserend rubber tape. De metalen bevestigingsplaten zijn het best in te spuiten met Tectyl, om corrosie tegen te gaan.

FAQ - Frequently Asked Questions

Ik hoop, dat de beschrijving alle veelvuldig gestelde vragen van ons forum beantwoord heeft. Heeft U nog vragen, schroom niet en stel deze in het forum, in de werkplaats...

• Waar zijn de materialen voor de Biquad te verkrijgen?
  N-connectoren, printplaat en coax kabel zijn te verkrijgen bij de lokale elektronica onderdelen specialist. Ook speciaalzaken voor zendamateur apparatuur zijn een goede bron, net als radio onderdelen markten.  De behuizing is te vinden bij een winkel als de Xenos.
   
• Mag je ook andere connectoren gebruiken dan N-type connectoren?
  Natuurlijk. Hoewel de N-connector een uitstekende keuze is kun je evenzogoed BNC, SMA of andere norm stelers gebruiken. Let wel op, dat de gebruikte connectoren bruikbaar zijn tot 2,4GHz. F-connectoren zoals gebruikt bij Satelliet ontvangst apparatuur, PL-259 (27MC bakkies) en radio/TV stekers zijn NIET te gebruiken.
   
•  Is het mogelijk een viertal Biquad antennes te koppel met een power splitter en zo een super rondstraal antenne te maken?
  Het koppelen van de biquads is geen probleem. Maar doordat het signaal van je apparatuur verdeeld wordt over 4 antennes, blijft er van de versterking van de biquad niets meer over. Een biquad antenne versterkt circa 8dBi. Door de powersplitter krijgt elke biquad een vermogen dat 6dB lager ligt in niveau dan het volle vermogen. Netto houdt je dus 2dBi versterking over; net zoveel als de standaard dipool van je apparatuur.
   
• Moet de coaxkabel elektrisch contact maken met de reflector?
  Nee, dat is niet noodzakelijk
   
• Kan de reflector ook van ... gemaakt worden?
  Alle metalen kunnen gebruikt worden als reflector. De dikte is irrelevant; Aluminiumfolie voldoet net zo goed als printplaat (de koperlaag op printplaat is maar 35 micrometer dik!). Kleine gaten (< 12mm) in de reflector zijn geen probleem, net als kleine oneffenheden.
   
• Kan een slecht gebouwde antenne of defecte antenne kabel mijn apparatuur beschadigen?
  Laat ik het zo zeggen: Het is mij nog niet overkomen. De meeste standaard WLAN apparatuur geeft zó weinig RF vermogen, dat de kans op beschadiging bij misaanpassing nihil is. Tóch ben ik altijd voorzichtig. Als een antenne niet goed werkt, gebruik ik 'm niet. Dat is wat ik U ook aanraadt...
   
• Hoe kan ik mijn antenne testen?
  Neem 'm mee naar het WirelessNederland Wifi Open Air Festival (ZIe de afdeling Evenementen op het forum) óf
  neem een kijkje op deze pagina: Antenne testen met gebruik van standaard Wifi apparatuur of
  bouw een SWR meter voor de Wifi 2,4GHZ ISM band.
   
• Wat is de polarisatie van de antenne?
  De polarisatie van de antenne is afhankelijk van de montage.
  Zitten de twee quads boven elkaar dan is de polarisatie Horizontaal.
  Zitten de quads naast elkaar, dan is de polarisatie Verticaal.
   

Links

http://www.trevor-marshall.com Biquad Biquad dish feed for primestar dish

http://www.xs4all.nl/~tom1572/ Het maken van biquad antennes voor Wifi

http://www.sorgonet.com/network/biquad/ Building a biquad antenna for wireless 802.11b

http://www.qsl.net/pa0hoo/helix_wifi/linkbudgetcalc/wlan_budgetcalcnl.html WLAN Link planner

http://mmhamsoft.ham-radio.ch/ MM Hamsoft pagina (freeware!)

http://www.wirelessnederland.nl Wireless Nederland – Oneindige bron van kennis op het gebied van Wifi

Disclaimer I will not be responsible for damage to equipment, your ego, personal injury or worse that may result from the use of this material and material found on any links on my pages. You are responsible to make sure that your use any of my designs is legal in your country.

PE2ER Homebrew projects page

Copyright: Erwin Gijzen Version: Nov-2005