Atennteori

Hur fungerar en antenn?

Antenner konstrueras för att ge signalmönster som kan bära kodad information i form av elektromagnetiska vågor. De elektromagnetiska vågorna driver ström från ena änden av antennen till den andra. Det är detta som tillämpas i RF-signaler, En grundläggande förklaring på hur en antenn fungerar anges här som följande:

Föreställ dig att EM-vågor närmar sig till en metallisk tråd (ledare). Vågorna träffar tråden och ström rör sig i samma riktning som vågornas elektriska fältet. Kopplar vi tråden till en krets med induktor och kondensator samt denna kretsen till en förstärkare så har vi en antenn.

Bild 1: Hur fungerar en antenn?

Antennutformningen bygger på signalernas våglängden exempelvis en vanlig antenn har ofta en längd som motsvarar halva signalens våglängd. De flesta antenner är så kallade dipol och de består i grunden av två kvartsvågselement som tillsammans utgör en halv. När ström matas till antennens element avger de radiovågor.

Bild 2: Dipolantenn

Inom- och utomhusantenner

Det trådlösa kommunikationen skulle vara ganska enkelt om alla antenner skapades lika. Men inomhus och utomhus är två olika miljöer eftersom signalerna kan bli utsatta för ett antal svårigheter i dessa miljöer. Till exempel kan inomhus finnas många hinder mellan avsändare och mottagare och utomhus kan trådlösa signaler bli utsatta till ovädret, etc.

Den bästa antenn som klarar av alla möjliga situationer är den som inte existerar i verkligheten. En sådan antenn heter Isotrop antenn, en som inte kan konstrueras. En isotrop antenn utformas som en rund punkt. När punkten ansluts till växel spänning produceras elektromagnetisk vågor som strålar ut i alla håll. Du kan föreställa dig en sfär som växer och växer. I en sådan antenn är signalstyrkan lika överallt.

Bild 3: Isotrop antenn utstrålning

Det är svårt att representera en tredimensionellt form på en två tvådimensionell plan. Man skulle kunna skära den horisontellt och vertikalt. Den horisontella planen är känt som H-plan och det vertikala som E-plan. En sån representation påminner oss strålningsmönster för elektromagnetiska vågor där den ena rör sig horisontellt och den andra uppåt och neråt.

Bild 4: Isotrop antenn i tredimensionell format

I en tvådimensionell plan kan E och H plan representeras med inre cirklar som representerar ändringar i signalernas styrka.

Bild 5: Isotropantenn i tvådimensionell format

Den svarta punkten i mitten av alla cirklar är en isotrop antenn och cirklarna markerar avståndet mellan den yttre cirkel och antennen. Värdena -5, -10, -15, -20 är precis avståndet mellan den yttre cirkel (max värdet) och antennen i centrum.

Gain

Antenner är passiva enheter, de förstärker inte en sändarens signal. I stället samlar de energi så att signalerna kan utformas för längre avstånd. Det är det som gain betyder, att antenner samlar energin effektivt och utformar signalerna så att dessa kan åka längre avstånd inom en viss riktning.

Bild 6: Antennvinst (gain)

Antennvinst beräknas genom att jämföra RF-vågornas styrka med ett referens, antingen med isotrop (dBi) antenn eller dipolantenn (dBd). Notera att en isotrop antenn utstrålar lika stark RF-energi i alla riktningar, därmed kan den inte fokusera RF-energin i vilken riktning som helst.

Effective Isotrop Radiated Power – EIRP

EIRP är antenns totala effekt i en viss riktning och har som enhet dBm. Det kan räknas så här: EIRP = Antenneffekt (dBm) – Förlust i kabel (dB) + Atennvinnst (dBi).

Bild 7: Antennens totala effekt i dBm

Strålbredd

En antenns vinst kan vara en indikator på hur fokuserad en RF-signal kan vara, men det är egentligen mer lämpad för mindre kostnadsberäkningar. I stället använder många antenntillverkare ett annat mått, strålbredden. Den bestäms genom att hitta den starkaste område på planen som oftast befinner sig på yttercirkeln. Därifrån till olika riktningar minskar det maximala värdet med 3 dB, vilket indikerar den punkt där signalen är hälften av den starkaste effekten.

Bild 8: Strålbredd