Antennteknik inom mobil datakommunikation och WIFI

Lär dig antennteknik och hur du väljer rätt antenner för rätt ändamål.

De flesta tror att antenner är en enkel sak. Man har sett enkla "pinnar" på en WiFi router och tycker att det inte kan vara svårt att bygga en "pinne".

Men dagens datakommunikation har extremt hög kapacitet och är egentligen väldigt avancerad. Dessutom sker numera datakommunikation på många olika frekvenser  (4G/LTE-band - 3G/UMTS-band - 2G/GSM-band). Detta gör att en modern anten skall täcka många frekvensband med bibehållen funktion, förstärkning och signalkvalitet. Och detta är inte så enkelt.

Frekvensband sverige mobil datakommunikation

Vad skall jag på tänka på när jag väljer antenn

För att välja en bra antenn för ditt ändamål behöver du kontrollera följande:

  • Rätt typ av antenn för ditt behov (rundstrålande/rikt)
  • Rätt kvalitet för placeringen (IP-klassing, stryktålighet, UV-beständighet, rostskydd m.m.)
  • Förstärkningsfaktor över önskade frekvensbanden
  • Riktningverkan och riktningsmönster
  • MIMO eller SISO
  • Installation
Rundstrålande eller riktantenn?

Huvudsakliga antenntyperna är rundstrålande antenner och riktantenner. De har olika användningsområden.

Rundstrålande antenner:

  • Används alltid vid mobila installationer (bilar, båtar, truckar m.m.)
  • Används vanligtvis även i installationer där man inte vill lägga ner tid på inriktning eller där man vill sända signal runt omkring (t.ex. WiFi-accesspunkt).
  • Ger redundans eftersom de kan prata med alla basstationer/enheter runt omkring.
  • Ger lägre förstärkningsfaktor än en riktantenn.

Riktantenner:

  • Används där man vill maximera hastigheten och stabiliteten.
  • Måste riktas in mot sändaren/mottagaren.
  • Ger både bättre signalstyrka och bättre signalkvalitet

Ikoner

Rätt antenn på rätt ställe

Fysiska faktorer är viktigt när du skall välja rätt antenner.

Utomhus

En antenn som skall sitta utomhus måste vara UV-tålig, regntät, tåla vind, hård kyla och hög värme.

bil, buss eller lastbil

En antenn som skall sitta på bil, buss eller lastbil måste också vara UV-tålig, regntät, tåla vind, hård kyla och hög värme. De skall dessutom tåla vibrationer samt ha en bra tätning för att förhindra att vatten tränger in vid genomföringen.
Om fordonet har ett tak av glasfiber eller plast så måste man välja en antenn med inbyggt jordplan. De antennerna blir lite större diameter eftersom de har en inbyggd metallplatta i botten.

Båt

En antenn på en båt skall utöver ovastående ha en bra IP klassning (minst IP67) eftersom den kommer utsättas för vatten från olika vinklar. Saltvatten fräter på metall, så all expomerad metall skall vara rostfri eller syrafast.

Tänk på att båtar lutar när det går vågor. Din antenn skall vara rundstrålande men bör inte ha för hög Gain (du bör ha ca 6dBi). För hög Gain innebär att den vertikala öppningsvinkeln blir för smal och du tappar kontakten med basstationen om båten gungar i vågorna. Läs med om öppningsvinklar längre fram.

Kontrollera alltid att antennen är specificerad för marin användning.

Tåg och spårvagn

Om du någon gång behöver installera antenner på tåg eller spårvagnar gäller speciella regler för antenner. De måste vara speciellt utvecklade och certifierade för spårtrafik. Vi har några modeller som har rätt specifikationer.

Skåp och maskiner

Väldigt många antenner hamnar på olika elskåp, skyltar eller olika maskiner. I de flesta av dessa fall vill man skydda antennen från någon som vill förstöra antennen. Om du har sett exempelvis en parkeringsautomat så använder man en "puck"-antenn som är vandalsäker. Det finns inga spröt att bryta av och den tål massa stryk. Naturligtvis skall det fortfarande vara en antenn av god kvalitet men i många fall optimerar man utifrån driftsäkerhet i första hand.

Högförstärkande MIMO multibandsantenner för 4G routrar.
Förstärkningsfaktor (Gain)

Alla antenner har en förstärkningsfaktor (s.k. gain). Förstärkningsfaktorn handlar egentligen inte om aktiv förstärkning utan om hur antennen fokuserar energin.

En antenn som strålar lika mycket åt alla håll har 0 dBi i förstärkning. Men antenner som strålar i exakt lika i alla riktningar finns bara i terorin.

 Ju fler dBi i förstärkning (Gain) man har ju mer kan antennen fokusera energin i någon riktning. Tänk på att du inte "magiskt" kommer få bättre signal i alla riktningar bara för att du har en antenn med hög Gain. Antennen kommer ta energi från någon riktning och fokusera i någon annan riktning.

Vanligtvis på en rundstrålande antenn så tar man energi som går uppåt/neråt och fokuserar den mer åt sidorna.  Så köp inte en högeffektiv rundstrålande antenn till din WIFI router om du vill få bättre täckning en trappa upp. Det kommer bli precis tvärt om...

Skillnad på riktning rundstrålande antenner

En viktig detalj med antennförstärkning är vad det gör för räckvidden. För varje 6 dB dubblerar du räckvidden.

dBi jämfört med förbättrad räckvidd

Men nu kommer vi till fler intressanta fakta när vi skall välja antenn. Antennens förstärkning variera över frekvensbanden. Många tillverkare specificerar maximal förstärkning på varje band eller till och med maximal förstärkning totalt.

Därför är det viktigt att lära sig förstå tillverkarnas grafer över förstärkningen över frekvensbanden.  Med hjälp av en Gain chart ser man antennens uppmätta förstärkning över de önskade banden. Många tillverkare presenterar en gain chart på sitt produktblad. Se vilka band som våra svenska mobiloperatörer använder idag. Samt se vilka 4G / LTE-band som finns

För WIFI har vi idag två öppna/olicensierade  band 2,4 GHz och 5 GHz banden. Har man en modern accesspunkt eller WIFI-brygga som täcker både 2,4 GHz och 5 GHz via samma antenner så måste dina antenner också hantera båda frekvenserna.

  förstärkning (gain) över frekvensbanden

Men stirra dig inte blind på förstärkningsfaktorn. I många fall handlar allt om var du kan placera antennen och hur mycket bättre signal är där du kan placera en antenn.

Om jag köper en häftig antenn och placerar den brevid routern blir det superbra hastighet?

Nja, häftiga antenner i all ära... Men den största vinsten kommer ofta genom att placera antennen utomhus och gärna högt upp.

De av er som bor i ett modernt hus eller jobbar i en företagsbyggnad av plåt/betong vet förmodligen att mottagningen är extremt dålig inomhus. Saker som betong, plåt, metallfilmsbaserad värmeisolering och moderna värmedämpande fönster kan stänga ute de flesta radiosignaler.

Vad dämpar mest?

Vad dämpar signalen mest?

Som ni ser så är det vanligt i framför allt moderna företagsfastigheter att man har både värmeisolerande glas och betongväggar vilket effektivt dämpar väldigt mycket av signalen. Värmedämpande glas dämpar upp till 40 dB. Har du så mycket dämpning måste du utanför fönstret för att få bra signal.

Riktningsverkan på antenner

Precis som i bilden så har olika antenner olika riktverkan. De rundstrålande antennerna strålar runt om och riktantenner strålar fokuserar i en riktning.

Rundtsrålande antenn och riktantenn

Hur tar jag då reda på hur antennen fokuserar signalen?

När vi talar om riktantenner så prata man ofta om horisontell respektive vertikal öppningsvinkel. Det vill säga hur bred eller smal signalen är.  Ju högre förstärkning desto mindre öppningsvinklar.

De flesta produktblad pratar om öppningsvinklar. Men vissa visar grafiskt hur en antenn fokuserar sin energi.  Detta kanske är överkurs för de flesta men om du förstår dessa grafer så kan du enkelt se om detta är en antenn som passar dina ändamål. Vanligtvis så visas riktningverkan både horisontell (Azimut) och vertikalt (Elevation). Nedan är ett exempel på en riktantenn.

Öppningsvinklar och riktning på antenn

Tänk på att precis som i fallet med förstärkningsfaktor så är riktverkan också beroende av frekvensen. Vanligtvis presenteras både öppningsvinkel och riktningsdiagram för flera frekvenser.

MIMO eller SISO?

MIMO står för Multiple Input Multiple Output. SISO står för Single Input Single Output.

MIMO är en teknik som används i både 4G och WIFI och som bygger på att både sändare och mottagare använder fler antenner. För att få hög hastighet på WIFI eller 4G måste man använda antingen flera antenner eller en antenn som har fler antennelement inbyggda. Använder man bara en antenn så får man ofta bara halva hastigheten..

Så när du väljer dina antenner till 4G eller WIFI kan du välja på en MIMO antenn eller flera SISO antenner.

Vad du väljer beror förmodligen på vad som är viktigast för dig. MIMO antenner blir ofta mer kompakta eftersom man bara använder ett fysisk ytterhölje. Medan alternativet med två SISO antenner kan ge bättre effekt men å andra sidan förmodligen blir mer utrymmeskrävande och dyrare. MIMO antenner har två eller flera kablar.

Inom 4G / LTE brukar man tala om LTE kategorier. Ju högre upp i LTE kategorier du kommer desto fler antenner behövs

MIMO vs SISO antenner 4G / WIFI

Installation

Placering och installation är en viktig faktor för att få bästa effekten av dina antenner.

Oavsett om du installarer en 4G antenn eller en WIFI brygga utomhus så finns det saker att tänka på. Träd om hinder på vägen till dig är inte lika dämpande som träd och hinder som  som ligger nära din antenn

Så har du hinder nära där du placerar antennen så är det viktigt att komma högt upp i så fri sikt som möjligt.

Bygger du WIFI bryggor på 5 GHz-bandet så bör man alltid ha fri sikt till andra sidan.

hur träd påverkar antenner och signalen

Förlängning av antennkablar

Att förlänga kabeln kan vara en bra ide om man har betydligt bättre signal (1-2 staplar mer) högre upp. Då spelar signalförlusten i den längre kabeln inte så stor roll. En 10 meter förlängningskabel dämpar ca ½ stapel (5dB).

Krävs längre kabel finns det 10, 20 meters Ultra Low Loss med lägre dämpning än den vanliga Super Low Loss vi normalt använder. Det är en tjockare kabel (10 mm) men dämpar endast 3,8dB på 20 meter.

Undvika förlängning

Om det är bättre mottagning högre upp och man vill undvika lång antennkabel. Då kan man placera en 4G-router närmast antennen. Därifrån kan man sedan via trådlöst WLAN eller Ethernet nätverkskabel sprida internet i fastigheten.

VIll du lära dig mer?

Vill du lära dig mer om radioteknik för mobil datakommunikation?
Vill du lära dig on tekniken bakom Internet of Things (IoT)?
LTE Kategorier