Podstawy anten: zysk, charakterystyka promieniowania, MIMO i projektowanie sieci bezprzewodowych

Antena nadaje systemowi bezprzewodowemu trzy podstawowe cechy: zysk, kierunkowość oraz polaryzację. Te parametry mają duży wpływ na zasięg, stabilność łącza, poziom zakłóceń oraz ogólną jakość pracy sieci radiowej.

Zysk anteny, dBi i dBd

Zysk anteny nie oznacza, że antena wytwarza dodatkową moc. Antena jedynie kierunkuje energię RF dostarczoną przez nadajnik. Skupiając energię w określonym kierunku, może zapewnić silniejszy sygnał w tym kierunku i mniejszą emisję w pozostałych.

Zysk anteny najczęściej podawany jest w decybelach. W nowoczesnych systemach bezprzewodowych zwykle stosuje się jednostkę dBi, czyli zysk względem teoretycznej anteny izotropowej. Antena izotropowa promieniuje jednakowo we wszystkich kierunkach i ma zysk odniesienia 0 dBi.

W starszych dokumentach lub niektórych przepisach można spotkać jednostkę dBd, czyli zysk względem dipola półfalowego. Dipol półfalowy ma w przybliżeniu 2.15 dBi, dlatego:

dBi = dBd + 2.15 dB

To rozróżnienie jest ważne przy obliczaniu EIRP, ERP, zysku anteny oraz dopuszczalnych limitów mocy.

Rodzaje anten

Różne typy anten zapewniają różne charakterystyki pokrycia. Wraz ze wzrostem zysku anteny wiązka zwykle staje się węższa. Może to zwiększyć użyteczny zasięg w jednym kierunku, ale jednocześnie zmniejsza kąt pokrycia.

Anteny dookólne

Anteny dookólne są projektowane tak, aby zapewniały pokrycie 360° w płaszczyźnie poziomej. Stosuje się je wtedy, gdy klienci lub urządzenia zdalne znajdują się w wielu kierunkach wokół anteny.

Typowe zastosowania to magazyny, hale produkcyjne, otwarte przestrzenie, stacje bazowe oraz ogólne pokrycie z punktu centralnego.

Anteny kierunkowe

Anteny kierunkowe skupiają energię RF w wybranym kierunku. Stosuje się je wtedy, gdy potrzebny jest większy zasięg, lepsza penetracja w jednym kierunku lub łączność punkt-punkt.

Przykładami są anteny panelowe, patch, Yagi oraz anteny paraboliczne. Anteny kierunkowe o dużym zysku mogą zapewniać łącza na duże odległości, ale wymagają dokładnego ustawienia.

Systemy antenowe MIMO

Systemy MIMO wykorzystują dwa lub więcej elementów antenowych w celu poprawy parametrów nowoczesnych sieci bezprzewodowych. MIMO może zwiększać niezawodność, poprawiać efektywność widmową oraz umożliwiać wyższe przepływności.

MIMO nie oznacza po prostu „więcej anten dla osobnych obszarów pokrycia”. W większości punktów dostępowych porty antenowe pracują razem jako część jednego systemu radiowego. Są wykorzystywane do dywersyfikacji przestrzennej, multipleksacji przestrzennej oraz przetwarzania sygnału.

Propagacja wielodrogowa

Propagacja wielodrogowa występuje wtedy, gdy sygnał radiowy dociera do odbiornika więcej niż jedną drogą. Odbicia od ścian, konstrukcji metalowych, regałów, maszyn, pojazdów lub budynków mogą powodować, że do odbiornika trafia kilka opóźnionych wersji tego samego sygnału.

W niektórych środowiskach propagacja wielodrogowa może pogarszać jakość transmisji. W nowoczesnych systemach MIMO kontrolowana propagacja wielodrogowa może jednak zostać wykorzystana do przesyłania kilku strumieni danych i zwiększenia przepustowości.

Główne zalety MIMO

• Dywersyfikacja przestrzenna poprawia niezawodność łącza przez wykorzystanie wielu ścieżek sygnału i wielu elementów antenowych.
• Multipleksacja przestrzenna może zwiększyć przepustowość przez przesyłanie kilku strumieni danych.
• Beamforming i precoding mogą poprawić jakość sygnału, gdy system radiowy posiada informacje o aktualnym kanale transmisyjnym.

MIMO jest szczególnie użyteczne w środowiskach z dużą liczbą odbić, takich jak magazyny, hale przemysłowe, biura i obszary miejskie. W całkowicie otwartym terenie, gdzie dominuje jedna silna ścieżka LOS, korzyści mogą być mniejsze.

Projektowanie sieci WLAN

Przed wyborem anteny należy uwzględnić środowisko pracy oraz typ aplikacji. Most punkt-punkt, sieć Wi-Fi w magazynie i mała instalacja biurowa mogą wymagać zupełnie innych typów anten.

Środowisko fizyczne

Konstrukcja budynku, wysokość sufitu, przeszkody wewnętrzne, regały, maszyny, dostępne punkty montażowe oraz wymagania estetyczne mają wpływ na dobór anteny.

Materiały takie jak żelbet, metalowe ściany, stalowe regały i wyposażenie przemysłowe mogą silnie wpływać na propagację fal radiowych. Drewno, płyty gipsowe i lekkie ściany działowe zwykle tłumią sygnał znacznie mniej. Przy wymaganym niezawodnym pokryciu zalecany jest pomiar lub audyt radiowy na miejscu instalacji.

Magazyny i hale produkcyjne

Magazyny i hale produkcyjne zwykle wymagają pokrycia dużych powierzchni. W wielu przypadkach anteny montuje się kilka metrów nad posadzką, ale wysokość montażu musi być dobrana ostrożnie. Zbyt wysoki montaż może zmniejszyć użyteczne pokrycie pod anteną, zależnie od pionowej charakterystyki promieniowania.

W długich alejkach lub wąskich korytarzach między regałami anteny kierunkowe lub sektorowe mogą zapewnić lepsze działanie niż jedna antena dookólna.

Małe biura i sklepy

W małych biurach i punktach handlowych standardowe anteny punktów dostępowych często są wystarczające. Jeśli jednak punkt dostępowy musi być zamontowany w narożniku lub za przeszkodami, antena kierunkowa może pomóc skierować pokrycie w pożądany obszar.

Łącza punkt-punkt

Łącza punkt-punkt wymagają uwzględnienia odległości, zysku anten, ustawienia anten, strat kabla, widoczności optycznej oraz prześwitu strefy Fresnela. Przy większych odległościach zwykle wymagane są anteny kierunkowe o większym zysku.

Sama widoczność optyczna nie zawsze wystarcza. Przeszkody takie jak drzewa, dachy lub ukształtowanie terenu mogą wejść w strefę Fresnela i pogorszyć łącze nawet wtedy, gdy anteny „widzą się” bezpośrednio.

Łącza punkt-wielopunkt

W sieciach punkt-wielopunkt jedna stacja centralna komunikuje się z wieloma punktami zdalnymi. Stacja centralna może wykorzystywać antenę dookólną lub sektorową, natomiast punkty zdalne zwykle używają anten kierunkowych ustawionych w stronę stacji centralnej.

Okablowanie i straty RF

Kable koncentryczne, złącza i adaptery wprowadzają straty do toru RF. Straty te zmniejszają efektywną moc dostarczaną do anteny i powinny być uwzględniane w obliczeniach budżetu łącza oraz EIRP.

Gdy antena musi być zamontowana dalej od urządzenia radiowego, należy stosować kable niskostratne. Nawet przy kablach niskostratnych długość kabla powinna być możliwie mała.

Elementy montażowe

Montaż anteny powinien być stabilny mechanicznie i dostosowany do środowiska pracy. Anteny montowane na maszcie wymagają odpowiednich uchwytów i obejm. Anteny ścienne lub sufitowe powinny być instalowane zgodnie z ich przeznaczoną charakterystyką promieniowania i polaryzacją.

Ochrona odgromowa

Zewnętrzne instalacje antenowe powinny uwzględniać prawidłowe uziemienie oraz ochronę przeciwprzepięciową. Ograniczniki przepięć mogą pomóc chronić urządzenia radiowe przed ładunkami elektrostatycznymi oraz przepięciami indukowanymi w liniach koncentrycznych. Nie gwarantują ochrony przy bezpośrednim uderzeniu pioruna, ale są ważnym elementem bezpiecznej zewnętrznej instalacji RF.