Charakterystyka kierunkowa (antenna pattern)

Określa, jak antena promieniuje w różnych kierunkach. Powinna odzwierciedlać jej symetrię geometryczną (mówiąc o geometrii anteny, trzeba mieć na uwadze zarówno promiennik, jak i jego otoczenie; np. mocowanie anteny). Jeżeli lewa i prawa połowa anteny są swoimi lustrzanymi odbiciami, to jej charakterystyka w azymucie powinna być również symetryczna. Podobny efekt uzyskuje się, jeżeli symetryczne są górna i dolna połowa anteny a pomiaru charakterystyki dokonuje się w elewacji. Często zdarza się, że pomiar charakterystyki przeprowadza się nieprofesjonalnym sprzętem, w niewłaściwym środowisku (zakłócenia, wielodrogowość), co powoduje utratę symetrii charakterystyki promieniowania mimo istnienia symetrii geometrycznej.

Na podstawie charakterystyk promieniowania w azymucie i elewacji można określić następujące parametry anten:

• 3 dB szerokość wiązki głównej (3dB width of main lobe), czyli szerokość zakresu kątowego w azymucie i elewacji, w którym moc promieniowania na poszczególnych kierunkach jest większa od połowy mocy promieniowanej na kierunku maksymalnego promieniowania (stąd 3 dB). Jest to parametr ważny przy planowaniu pokrycia określonego obszaru. Przykładowo: zastosowanie trzech anten o szerokości 3 dB wiązki głównej wynoszącej 120o i trzech kart radiowych do budowy stacji bazowej, umożliwia dookólne pokrycie obszaru i uzyskanie większego zasięgu oraz pojemności, porównując z systemem z jedną anteną dookólną i jedną kartą radiową. Problem może się pojawić, jeżeli antena ma 3 dB szerokości wiązek głównych, znacznie różniące się od tych 120o. Gdy są szersze, może dojść do wzajemnych zakłóceń, jeżeli węższe - mogą powstać dziury w pokryciu terenu.
• Kierunek maksymalnego promieniowania - w niektórych antenach może się zmieniać w zależności od wybranego kanału pracy (częstotliwości), dodatkowo nie zawsze kierunek maksymalnego promieniowania musi się pokrywać z prostopadłą do apertury anteny - mówi się wtedy, że antena zezuje lub squintuje.
• Poziom listków bocznych (side lobe level) - charakterystyka promieniowania może mieć listki boczne. Mogą one powodować, że antena będzie odbierać sygnały z innych kierunków niż główny, zakłócając pracę odbiornika. Zwykle anteny o niższym poziomie listków bocznych mają większy zysk (i energetyczny, i kierunkowy), co przekłada się na większy zasięg pracy systemu.
• Poziom promieniowania wstecznego (F/B ratio lub Back lobe level) - odpowiada na pytanie, jaka moc jest promieniowana maksymalnie na kierunkach wstecznych, czyli za antenę, w odniesieniu do kierunku maksymalnego promieniowania. Parametr ten może mieć spore znaczenie przy instalacji anten w otoczeniu innych nadajników i odbiorników; antena o wysokim poziomie promieniowania wstecznego może zakłócać sąsiednie systemy lub sama odbierać od nich zakłócenia, pomimo że jest do nich zwrócona tyłem.
• Polaryzacja anten (polarization) - jedną z cech fali elektromagnetycznej odbieranej lub emitowanej przez antenę jest jej polaryzacja. Antenę można zaprojektować tak, by miała dowolną polaryzację. W sieciach WLAN stosuje się zwykle polaryzację liniową pionową lub poziomą. Zarówno anteny nadajnika, jak i odbiornika powinny pracować z tą samą polaryzacją, aby uzyskać optymalne parametry łącza radiowego. Anteny klienckie mają zwykle wąską wiązkę w azymucie i elewacji. Obrót takiej anteny o 90 (deg) umożliwia zmianę polaryzacji z pionowej na poziomą lub na odwrót. Anteny bazowe, dookólne i sektorowe niestety nie mogą być tak traktowane. Anteny dookólne i sektorowe, pracujące z polaryzacją pionową lub poziomą, to dwa zupełnie różne rozwiązania.
• Zwarcie dla DC (DC short). Mimo że zwarcie dla prądu stałego lub jego brak nie ma zazwyczaj wpływu na same parametry anteny, okazuje się, że brak tego detalu może powodować uszkodzenie kart radiowych. Na antenach może gromadzić się ładunek elektrostatyczny, a brak możliwości wyrównania potencjałów na samej antenie powoduje, że ładunki odpływają do kart radiowych, powodując ich uszkodzenie - zwykle niepodlegające naprawie gwarancyjnej. Producenci kart mogliby sami zastosować proste układy zabezpieczające, ale czy byłoby to dla nich opłacalne?
• Szumy anteny - wynikają ze strat, w opisywanych zastosowaniach są praktycznie bez znaczenia.

Anteny i ich parametry - co nam oferują producenci

Przeglądając strony internetowe, można natknąć się na anteny o nadzwyczajnych parametrach i właściwościach. Niektórzy dostawcy starając się wyprzedzić choć o krok konkurencję, prezentując swoje produkty nieświadomie przekraczają bariery wyznaczane przez fizykę i technologię. Jak więc bez profesjonalnego sprzętu pomiarowego odróżnić prawdę od fałszu? Czasami wystarczy analiza parametrów elektrycznych i mechanicznych, aby wyeliminować ewidentne "pomyłki".

Wartość WFS jest zwykle podawana poprawnie (WFS>1). Czasami zamieszczany jest zrzut z urządzenia pomiarowego, prezentujący wartości uzyskane w paśmie pracy dla jednej anteny. Mogła być ona wzięta losowo z produkcji i zmierzona, mogła również być indywidualnie dopracowana w montażu w celu uzyskania satysfakcjonujących parametrów, nadających się do prezentacji produktu. Niestety, większość użytkowników nie jest w stanie sprawdzić, czy podane parametry są prawdziwe. Na rozbieżność wyników wpływ mają sposób i dokładność montażu oraz tolerancje parametrów elektrycznych i mechanicznych komponentów dostarczanych od poddostawców. Możliwość pomiaru WFS jest konieczna, jeżeli producent chce kontrolować proces produkcyjny. Wyrywkowa, losowa kontrola pozwala stwierdzić, czy parametry są stałe i nie ulegają degradacji. Pozwala również określić wpływ wykorzystania alternatywnych komponentów na jakość anten. Przykładowo zastosowanie takich samych typów złączy, ale od różnych dostawców może spowodować znaczne pogorszenie dopasowania. Dołączanie do każdej anteny wydruku pomierzonego WFS jest raczej kosztowne i na pewno wpłynęłoby na koszt końcowy produktu. Liczący się na rynku producenci tego typu sprzętu starają się dbać o swoje produkty tak, by prezentowane wyniki jak najmniej odbiegały od rzeczywistości. Podawane wartości należy traktować jako typowe, od których mogą następować odchylenia. Rozsądne byłoby dodawanie przez producenta takiej uwagi w opisach produktu.

Wykonanie dokładnych pomiarów charakterystyki wymaga wykorzystania dość skomplikowanego sprzętu. Pomiarów takich można dokonywać przy użyciu tańszych środków, jednak ich dokładność będzie pozostawiać wiele do życzenia. Najprostszą metodą jest ustawienie jednej anteny (nadawczej) w pewnej odległości od anteny badanej (odbiorczej) oraz podłączenie do nich kart radiowych i ustawienie transmisji w jedną stronę ze stałą mocą. Antena badana jest obracana ze znanym przyrostem kątowym i sczytywane są wartości poziomów mocy bezpośrednio z karty radiowej podłączonej do badanej anteny. Otrzymuje się w ten sposób charakterystykę poziomu mocy odebranej w funkcji kąta obrotu anteny. Jeżeli karta nie umożliwia uzyskania bezpośredniej informacji o poziomie odebranej mocy, pod uwagę można wziąć jakość transmisji. Aby pomiary takie miały jako taką jakość, należy unikać zakłóceń od innych systemów pracujących w tym samym paśmie, a także unikać wielodrogowości w zestawionym łączu. Ze względu na zakłócenia i wielodrogowość szerokości wiązek głównych pomierzone prostymi metodami są zwykle szersze od rzeczywistych. Mając antenę dobrego producenta (wzorcową), można zmierzyć poziom sygnału uzyskany przy jej zastosowaniu oraz poziom sygnału przy użyciu anteny badanej. Różnica tych odczytów w dB mówi bezpośrednio o różnicy zysków anten w dB. Problem polega na tym, że certyfikowane anteny "wzorcowe" mogą stanowić również spore obciążenie finansowe (cena certyfikowanej szerokopasmowej anteny wzorcowej renomowanego producenta jest porównywalna z ceną samochodu osobowego!).

Parametry anten można zweryfikować czasami przy użyciu prostych obliczeń. Rozważmy teraz antenę sektorową, pracującą na 2,4 GHz i długości ok. 40 cm. Producent podaje szerokość wiązki głównej 6 deg. Prawda, czy fałsz? Do sprawy trzeba zabrać się "profesjonalnie", czyli wykonać kilka działań i odpowiedzieć na pytanie: ile może się zmieścić źródeł elementarnych na długości 40 cm, jeżeli dodatkowo między nimi musi być zachowana odległość w przybliżeniu 8/2 = 6,25 cm (8 jest to długości fali w wolnej przestrzeni, w tym przypadku = 30/2,4 cm = 12,5 cm). Biorąc pod uwagę rozmiar jednego źródła oraz fakt, że rozmiar całego promiennika musi być mniejszy od obudowy, uzyskuje się, że maksymalnie można wcisnąć 6 łat przy takiej długości anteny (zob. rysunek obok). Tak więc 3 dB szerokość wiązki głównej wynosi z bardzo dużym prawdopodobieństwem nie kilka, lecz raczej kilkanaście stopni (tabela).

Jeżeli załączone do opisu produktów wykresy WFS i charakterystyk promieniowania są mierzone w niezależnej instytucji, to pozwala to nie tylko na weryfikację własnych produktów. Umieszczenie kopii uzyskanych certyfikatów i zaświadczeń pozwala również wyróżnić się wśród konkurencji.