Uzun Menzilli WiFi Deneyi: Yönlü Antenler, Kazanç Gerçeği ve Ev Yapımı Yagi

Her şey evdeki kablosuz kapsama sorunuyla başlıyor. Anlatıcı, yönlendiricisinde iri bir anten yerine küçük bir anten kullanıyor ve önceki bir çalışmasında sıradan anten tasarımlarını deneylerle karşılaştırdığını hatırlatıyor. O çalışmada eksik kalan tek başlık ise yönlü antenler oluyor; halk arasında Yagi diye satılan bu iri parçalar sinyali her yöne eşit dağıtmak yerine tek bir huzmede topluyor.

Deney düzeneği iki ESP32 kartından kuruluyor: biri sundurma altındaki vericide, diğeri yaklaşık 20 metre ötedeki bahçe kulübesindeki alıcıda. Verici, taşınabilir bir pilden besleniyor ve düzenli aralıklarla kablosuz paketler gönderiyor. Alıcı ise bir bilgisayara bağlı çalışıyor ve gelen her pakette sinyal gücü göstergesi olan RSSI değerini ekrana döküyor.

Önce iki uçta da önceki testin en iyi sıradan antenleri takılıyken bağlantı kuruluyor ama sonuç parlak değil: RSSI eksi 65 dBm seviyesinde kalıyor. Ardından elektronik tedarikçisi Mouser'ın gönderdiği üç ticari yönlü anten kutudan çıkıyor: küçük bir yüzgeç, iri bir yüzgeç ve direk görünümlü uzun bir model. Vericideki sıradan anten küçük yüzgeçle değiştirilince RSSI eksi 50 dBm dolayına yükseliyor; bu sıçrama, alınan sinyal gücünün otuz kattan fazla arttığı anlamına geliyor.

İri yüzgeç ve direk model de küçük yüzgeci açık farkla geride bırakıyor, ancak hangisinin hangi sonucu verdiği hemen açıklanmıyor; izleyiciyi veri sayfalarına bakmaya davet eden bir merak unsuru olarak saklanıyor. Burada kazanç kavramı devreye giriyor ve anlatıcı bu sözcüğün kendisini bile yanılttığını itiraf ediyor: transistörlerdeki yükseltme çağrışımı, antenin sinyali büyütebildiği izlenimi veriyor. Oysa anten hiçbir şeyi yükseltmiyor; eldeki gücü uzayda nasıl dağıttığını yönetiyor.

Ölçüt, her yöne eşit yayın yapan hayali bir izotropik anten; kazancı bir, yani sıfır dBi kabul ediliyor. Sinyal belirli bir yöne toplandıkça bu sayı büyüyor: direk modelin veri sayfasında 14,5 dBi, iri yüzgeçte ise 6,8 dBi yazıyor. Direk model deneyde en iyi RSSI değerlerini alınca bu fark doğrulanmış oluyor; veri sayfalarındaki ışıma grafiklerinde de direğin ince bir huzme çizdiği, iri yüzgecin ise daha geniş bir alanı kapladığı görülüyor.

Asıl sürpriz kapaklar açılınca geliyor: yüzgeç görünümlü iki ürün, teknik olarak Yagi değil. Çam ağacına benzeyen kademeli yapılarıyla bunlar log-periyodik dipol dizisi, kısaca LPDA. Bu tasarımda eleman boyları ve aralıkları büyükten küçüğe düzenli biçimde küçülüyor; her frekansta işin çoğunu rezonans boyutuna yakın küçük bir eleman grubu üstleniyor, diğer elemanların dalgaları küçük elemanlara doğru birbirini güçlendirip ters yönde sönümlüyor ve ortaya huzme çıkıyor.

Direk modelin içine bakılınca ise tabanda gerçekten ışıma yapan bir dipol ve önünde onunla elektriksel bağlantısı olmayan uzun bir yapı görülüyor: bu parazitik eleman, dipolün alanıyla uyarılıp sinyali yeniden yayıyor ve dalgalar baktığı yönde toplanıyor; adına direktör deniyor. Klasik bir Yagi'de sürülen elemanın arkasında geriye ışımayı bastırıp öne güçlendiren daha iri bir reflektör de olurdu; bu üründe o parça eksik. Araya giren önemli bir uyarı da hukukla ilgili: Almanya'da 2,4 GHz bandında yasal sınır 100 mW EIRP, yani 20 dBm; yüksek kazançlı bir anten bu sınırı kolayca aştırabileceği için anlatıcı deneyde verici gücünü bilinçli olarak kısmış.

Geometri ve eleman aralığı gibi seçimlerin gerekçeleri için ABD Ulusal Standartlar Bürosu'nun Yagi tasarım raporuna başvuruluyor ve bu rapor ev yapımı denemenin planına dönüşüyor: bir dipol, üç direktör ve bir reflektörden oluşan bir tasarım, yalıtkan bir taşıyıcı üzerine oturtuluyor. Taşıyıcı üç boyutlu yazıcıyla üretiliyor, ışıma elemanları 1 mm pirinç çubuklardan kesilip naylon vida ve somunlarla tutturuluyor. En oyalayan iş, eşeksenli kablonun bağlantısı oluyor; yine de sonuç ilk bakışta düzgün duran bir anten.

Vektör ağ analizörüyle yapılan hızlı kontrol, empedans uyumunun idealden uzak olduğunu gösteriyor; ama asıl hüküm sahada veriliyor. Ev yapımı anten düzeneğe bağlanınca RSSI eksi 52 dBm geliyor: ticari ürünlerin gerisinde, fakat en iyi sıradan antenin belirgin biçimde önünde. Anten ters yöne çevrilince değer eksi 60 dolayına düşüyor; huzmenin gerçekten yönlü çalıştığının en sade kanıtı da bu oluyor.

Ticari ürünlerdeki gibi bir ışıma grafiği için simülasyon yerine, yakında kitlesel fonlamaya çıkacak NanoFarField adlı motorlu bir ölçüm düzeneği kullanılıyor: verici sabit dururken ev yapımı anten tam tur döndürülüyor ve yazılım kaydı kendiliğinden tutuyor. ESP32'nin kullandığı kanalın frekansı olan 2442 MHz'te belirgin bir huzme görülüyor; ticari ürünler kadar kusursuz değil ama yönlülük tartışmasız. Birkaç pirinç çubuk, bir baskı parça ve onlarca yıllık anten literatürüyle çalışan bir WiFi huzmesi ortaya çıkmış oluyor.