2. Antennteknik

Nästan alla trådlösa system baseras på tre huvudkomponenter: en yttre antenn, en antennkabel och den produkt som tar emot signalen. Vad gäller antenner så finns olika modeller och utföranden.

Antenntyper

De två huvudtyperna av antenner:

  • Rundstrålande antenner: Till rundstrålande antenner räknas till exempel puckantenner, magnetfotsantenner och sprötantenner.
  • Riktantenner: Det finns i huvudsak i två utföranden, yagi antenner med synliga eller inkapslade spröt eller panelantenner som i allmänhet ser ut som en låda.

Rundstrålande antenner

Rundstrålande antenner är utformade för att utstråla runt och ge täckning i alla riktningar. Rundstrålande antenner är konstruerade för att ge ett signalmönster på 360 grader. Rundstrålande antenner har fördelen att de inte behöver riktas i någon särskild riktning, de blir därmed lättare att installera.

Rundstrålande antenner är i allmänhet långa stav liknande cylindrar eller antennspröt men de kan även vara formade som antennpuckar. Rundstrålande antenner används mest inomhus.

Den här typen av antenn är den vanligaste i WLAN och de levereras oftast som standard till de flesta accesspunkter.

En rundstrålande antenn har oftast formen av en stav och lämpar sig bäst där man har möjlighet att placera sin basstation i mitten av nätverket och där alla enheter i nätverket finns på samma plan, runt basstationen.

Rundstrålande antenner sprider signalen ut från sidorna och kan därför bilda vita fläckar strax över och under antennen där mottagningen kan vara svagare. Därför är en rundstrålande antenn inte att rekommendera om man vill sprida signalen över ex. flera plan i en byggnad.

Riktantenner

Riktantenner sänder och tar emot en signal från framförallt en riktning. Ett bra sätt att visualisera detta är genom att tänka på att en riktantenn fungerar ungefär som en ficklampa, en ficklampa lyser i en smal och koncentrerad stråle i den riktning som den pekar åt. Lyser du på objekt nära är strålen smal och koncentrerad, lyser du på något längre bort är det belysta området större.

På samma sätt fungerar en riktantenn, den sänder och tar emot radiosignaler från en enda riktning och ju längre bort den mottagande stationen är ju bredare blir området som täcks av radiosignalen. Riktantenner används mest utomhus.

Kan dessa antenntyper användas tillsammans? Ja det går exempelvis när flera byggnader sammanbinds i en point-to-multipoint trådlös nätverk. Den byggnaden i centrum använder en rundstrålande antenn medan de andra byggnaderna använder riktantenner.

Antennpolarisation

En antenn omvandlar elektrisk ström till elektromagnetiska vågor som strålar ut i rymden. Det sätt på vilket vågorna strålas är känd som antennens polarisation. Generellt sett antenner använder linjär (vertikal eller horisontell rak linje) eller cirkulär polarisering.

Antennpolarisation är en viktig faktor för radiokommunikation i allmänhet och vid montering av antenner i synnerhet. Både antenner och elektromagnetiska vågor har en polarisation som beskriver hur vågorna svänger i luften. Antennpolarisation kan vara horisontell, vertikal, korspolariserad eller cirkulär.

Vertikal polarisation

En vertikal polarisationsantenn har sitt elektriskt fält vinkelrätt, eller i 90 graders vinkel, till ytan av jorden. Denna typ av antenn används ofta för att utstråla en radiosignal i alla riktningar. Vertikal polarisation är vanlig för mobiltelefoner och radioapparater i frekvensområdet över 30 megahertz. En sådan polarisation är mest effektiv på landsbygden, särskilt där topografin inkluderar kullar eller berg, och används för kommunikation .

Horisontell polarisation

En horisontell polarisationsantenn har sin elektriska fält parallell med ytan av jorden. Denna typ av antenn används för att sända TV-signaler, delvis så att TV-mottagning inte lider interferens från vertikalt polariserade signaler, såsom mobilradio, och dels för att de flesta konstgjorda elektriskt brus tenderar att vara vertikalt polariserad.

Cirkulär polarisation

En cirkulär polarisationsantenn utstrålar elektromagnetiska vågor i de vertikala och horisontella plan. Med andra ord, polarisationsplanet roterar genom hela 360 grader under varje våglängd.

Cirkulär polarisation används typiskt för satellitkommunikation, eftersom, till skillnad från en vertikalt eller horisontellt polariserad radiovåg, en cirkulärt polariserad våg kan inte roteras då den färdas genom ett område av jordens övre atmosfär, känd som jonosfären. Cirkulär polarisation håller signalen konstant om en satellit tycks röra sig i förhållande till en fast antenn på ytan av jorden.

I olika system är det ofta bestämt att systemet använder vågor som enbart svänger horisontellt eller enbart vertikalt. Både sändare och mottagare skall ha antenner som använder samma polarisation, horisontell eller vertikal polarisation.

Linjär polarisation är den i särklass mest använda polarisationen i de flesta radiokommunikationstillämpningar. Vertikal polarisation används ofta för mobil radiokommunikation vilket beror på antennerna är rundstrålande och dess funktion ofta blir bäst vid vertikal polarisation.

Antenndiversitet

Trådlösa nätverk, särskilt inomhusnätverk, har påverkats negativt av ett fortplantningsfenomen som kallas flervägs utbredning eller på engelska Multipath. Trådlösa signaler tar sig till mottagande antenn genom att studsa på olika föremål av olika material. Detta gör att signaler påverkas av störningar som reflektion, diffraktion, refraktion, dämpning mm.

Antenndiversitet innebär att flera antenner fungerar tillsammans för att minimera de negativa effekterna av multipath. Förenklat kan man säga att flera kopior av samma signaler tas emot av mottagarantenner, jämförs signalerna och accepteras endast de son har högre signalstyrka.

Antenndiversitet kan betraktas från sändande antenn och från mottagarantenn.

MIMO antenner

MIMO står för Multiple Input, Multiple Output. Det är en funktion som använder flera antenner som kommunicerar på samma radiokanal, men kommunikationen utnyttjar smarta och mycket exakta radiotekniker för att undvika störningar.

Den viktigaste sådana funktionen kallas för Spatial Multiplexering vilket går ut på att man kan skicka flera dataströmmar eller Spatial Streams samtidigt. Dessa Spatial Streams skickas med en precision som gör att dom inte stör ut varandra alls trots att kommunikationen alltså sker över samma radiokanal.

För att kunna använda MIMO teknik så måste både sändare och mottagare ha flera antenner och stöd för samma MIMO standard. Den stora fördelen med att skicka flera strömmar på en gång är att den totala bandbredden kan ökas. Termen Multiplexering innebär just att man skickar flera saker dataströmmar parallellt med varandra, och att mottagaren sedan kan slå ihop de olika dataströmmarna till en kombinerad högre överföringskapacitet.

Olika Wi-Fi standarder kan använda olika antal antenner för att uppnå högre överföringskapacitet genom MIMO tekniken. Tekniken finns i två varianter.

SU-MIMO

SU-MIMO står för Single-User MIMO. Det betyder att alla tillgängliga sändarantenner kan användas för att kommunicera med en mottagarantenn åt gången.

MU-MIMO

MU-MIMO står för Multiple-User MIMO, och som namnet kanske antyder så är MU-MIMO en utökning av SU-MIMO standarden som låter enheter med MIMO stöd prata samtidigt med flera andra trådlösa enheter.

Vanliga tekniska begrepp vid uppbyggande av ett WLAN

  • H-plane och E-plane: Radiovågor kan “åskådas” från två olika perspektiv: horisontellt (fågelperspektiv) och sidoperspektiv.
  • Effektive Isotropic Radiated Power (EIRP) – Definierar energi-begränsningar för strålning något som kan variera land till land, till exempel i USA max 36 dBm enligt FCC. Det finns två begränsningar för energistrålning i det trådlösa kommunikation:
    • För 2.4 GHz 802.11b och 802.11g/n med OFDM modulering: 20 dBm (100mW)
    • För 5 GHz delas upp i två nivåer:
      • frekvensband 5150 till 5350 MHz, max 23 dBm (200 mW)
      • freekvensband 5470 till 5725 MHz, max 30 dBm (1000 mW)
    • I USA max 36 dBm enligt FCC.
  • Antenna Gain, en signalförstärkning i dBi

Antennvinst

Antennvinst är måttet på hur mycket en antenn förstärker i förhållande till en viss referensantenn eller referensnivå. Enheten dB, decibel, används som ett uttryck för att visa hur mycket effekten ökas vid sändning eller mottagning hos en viss antenn. Ju högre dB-tal, desto kraftigare förstärkning.

Termen dB används i bägge sändningsriktningar, det vill säga den visar hur mycket signalen förstärks vid mottagning eller sändning vid användning av en viss antenn. Ju högre dB-tal desto kraftigare förstärkning.

Generellt används idag dBi av de flesta antenntillverkare istället dB, termen står för dB i förhållande till en isotropisk strålningskälla.