Anteny w komunikacji bezprzewodowej

Rys. 1. Pomiary anteny w komorze bezodbiciowej

Rodzaj wymaganej anteny i jej parametry zależą od wielu czynników. Jednym z najważniejszych jest częstotliwość, względnie częstotliwości, działania. Od częstotliwości pracy anten zależy także wybór materiału konstrukcyjnego, jak ceramika, płytki stalowe, laminat, czy metalowe pręciki. Rodzaj elementu anteny jest również bardzo ważny.

Do realizacji anten na kilka pasm częstotliwości zwykle używa się trawionych na płytkach drukowanych anten planarnych "odwrócone F" (PIFA), ale także monopoli z elementami biernymi. Takie podstawowe struktury, wraz z tradycyjnymi antenami "odwrócone F" (IFA), mogą być stosowane także w antenach ceramicznych. Zakres stosowanych częstotliwości wraz z nowszymi technikami bezprzewodowymi poszerza się, a pasma częstotliwości przydzielonych zawężają, w rezultacie czego wzrasta objętość zajmowana przez antenę w urządzeniu.

A równocześnie użytkownik oczekuje, że powinno być ono coraz mniejsze, zwłaszcza ręczne czy przenośne. To właśnie antena ma największy wpływ na rozmiary urządzenia, a znaczenie jej fizycznych rozmiarów w procesie projektowaniu staje się coraz większe. W procesie projektowania anten początkowo są one traktowane jako elementy bierne, pomiary których dostarczają wskazówek na drodze dochodzenia do końcowych rozwiązań.

Element bierny może być swojego rodzaju makietą, nie musi działać, służy bowiem jedynie do porównywania różnych koncepcji. Opracowanie końcowego rozwiązania musi być jednak oparte na pomiarach w pełni działającego urządzenia. Tylko wtedy bowiem można znaleźć ewentualne interferencje, związane z działaniem anteny i wyeliminować wszelkie wykryte problemy.

Przy pomiarach aktywnych mierzy się całkowitą moc promieniowaną (TRP) i całkowitą czułość izotropową TIS) urządzenia antenowego. Liczby te łączą parametry anteny z technicznymi parametrami urządzenia. Wielkość TRP pokazuje moc, którą radionadajnik urządzenia może przez antenę wypromieniować. TIS natomiast wykazuje zdolność do radiowego odbioru nadchodzących sygnałów niskiej mocy.

Wielkości tych ważnych parametrów są specyfikowane przez standardy i regulacje prawne oraz wymagania operatorów, a wymagania te muszą zostać spełnione zanim projektowane urządzenie wejdzie na rynek. Przekonanie się, że antena urządzenia działa z wystarczającą sprawnością w całym paśmie lub pasmach, staje się miarą jakości całego urządzenia wraz z anteną.

Miary wartościujące jakość anten

Rys. 2. Typowa charakterystyka promieniowania dipola w jednej płaszczyźnie

Do weryfikowania jakości urządzeń wyposażonych w anteny używa się analizatorów sieci. Za ich pomocą określa się takie miary wartościujące anteny, jak współczynnik fali stojącej (SWR), izolacja pomiędzy elementami anteny, czy impedancja dopasowująca antenę do linii zasilającej. Ważnymi parametrami są także zysk (kierunkowość) i polaryzacja promieniowania anteny.

Miary te wyznacza się w komorze bezodbiciowej. W radiowych urządzeniach wielozakresowych izolacja między elementami anteny odgrywa bardzo ważną rolę, ponieważ poszczególne anteny powinny być od siebie dobrze odizolowane. W nowoczesnych aplikacjach wykorzystujących systemy wieloantenowe MIMO, współzależność poszczególnych elementów anteny powinna być minimalna.

Współzależność tę da się obliczyć posługując się danymi zebranymi przy pomiarach sprawności anten. Dla urządzeń mobilnych bezpośrednio używanych przez człowieka, określa się współczynnik pochłaniania (SAR), służący do pomiaru energii pochłanianej przez wystawione na pole elektromagnetyczne ciało użytkownika. Pomiary SAR są wykonywane przez wykwalifikowane, upoważnione i pozostające pod kontrolą laboratoria, wyposażone w odpowiednie urządzenia pomiarowe.

Sprawność radiacyjna anteny wyraża stosunek mocy fali elektromagnetycznej promieniowanej przez antenę do mocy do tej anteny doprowadzanej. Idealna antena wypromieniowałaby całą otrzymywaną moc. Ale w antenie rzeczywistej część dostarczanej mocy jest tracona. Straty te są skutkiem niedopasowania anteny do linii zasilającej oraz strat cieplnych w rezystancji rzeczywistej elementów anteny.

Sprawność radiacyjna anteny jest więc zawsze niższa od 100% (0dB). Sprawność tę określa się w komorze bezodbiciowej, mierząc moc do niej doprowadzaną i natężenie promieniowanego pola elektromagnetycznego. Dobra antena wypromieniowuje 50-60% otrzymywanej energii (-3 do -2,2dB). Sprawność radiacyjna anteny jest użyteczną miarą "ekonomicznej skuteczności" anteny. Pozwala natychmiast ocenić jej zdolność wykorzystywania otrzymywanej mocy i obliczyć potrzebną moc modułu radiowego.

Przy określaniu sprawności anteny nie uwzględnia się jej kierunkowości, wielkość ta zatem dobrze oddaje sprawność urządzeń przenośnych, o własnościach bezkierunkowych. Dla anten kierunkowych miarą wartościującą jest ich zysk kierunkowy. Istnieją anteny o wysokiej sprawności, których promieniowanie w jednym lub kilku kierunkach jest zerowe.

Zysk

Zysk anteny jest miarą wartościującą, obejmującą wspólnie jej sprawność i własności kierunkowe. Kierunkowość oznacza zwiększoną sprawność w jednym kierunku, a zmniejszoną w innych. Bezwzględny zysk energetyczny anteny jest stosunkiem natężenia promieniowania w określonym kierunku, do natężenia promieniowania, które byłoby emitowane w przypadku całkowitej bezkierunkowości (izotropowości) anteny.

Zysk w języku angielskim jest wyrażany terminem "gain", oznaczającym także wzmocnienie. Jest to bardzo mylące, ponieważ antena jest elementem biernym, niemającym własności wzmacniania. Zysk jest miarą używaną do określania parametrów anten o własnościach kierunkowych, na przykład umieszczanych na dachach budynków stacji bazowych, na krańcach korytarzy biurowych, a także anten GSM urządzeń nawigacyjnych.

W przypadku promieniowania kierunkowego pomiar zysku pokazuje, czy moc dostarczana do anteny jest wykorzystywana optymalnie. Na przykład sprawność przymocowanej do ściany anteny stacji bazowej, bez uwzględnienia jej ukierunkowania i zysku nie opisuje wystarczająco systemu. Promieniowanie takiej anteny w kierunku ściany byłoby czystą stratą. Ale używanie zysku jako miary jakości połączenia, nawet w przypadku anten kierunkowych, ma swoje wady.

Dla większości terminali mobilnych ich ukierunkowanie w stosunku do najbliższej stacji bazowej jest przypadkowe. Sygnały są wielokrotnie rozpraszane i odbijane po drodze przez przypadkowe obiekty. Antenę odbiorczą sygnał może więc osiągać z dowolnego kierunku, którego nie da się z góry przewidzieć. Zatem kształt charakterystyki odbiorczej anteny telefonu komórkowego powinien być całkowicie kierunkowo jednorodny. (KKP)