Rundstrahlantenne oder.Richtantenne?

Einleitung

Dieses Dokument enthält grundlegende Antennendefinitionen und behandelt Antennenkonzepte mit Schwerpunkt auf den Vor- und Nachteilen von Rundstrahl- und Richtantennen.

Voraussetzungen

Anforderungen

Es gibt keine spezifischen Anforderungen für dieses Dokument.

Verwendete Komponenten

Dieses Dokument ist nicht auf bestimmte Software- und Hardware-Versionen beschränkt.

Konventionen

Weitere Informationen zu Dokumentkonventionen finden Sie unter Cisco Technical Tips Conventions (Technische Tipps von Cisco zu Konventionen).

Grundlegende Definitionen und Antennenkonzepte

Eine Antenne verleiht dem Wireless-System drei grundlegende Eigenschaften: Verstärkung, Richtung und Polarisation. Gewinn ist ein Maß für den Machtzuwachs. Der Gewinn ist der Energiezuwachs, den eine Antenne einem Hochfrequenzsignal (RF) hinzufügt. Die Richtung ist die Form des Übertragungsmusters. Mit zunehmender Verstärkung einer Richtantenne nimmt der Abstrahlwinkel in der Regel ab. Dadurch wird ein größerer Abdeckungsabstand, jedoch ein reduzierter Abdeckungswinkel erreicht. Der Abdeckungsbereich oder das Strahlungsmuster wird in Grad gemessen. Diese Winkel werden in Grad gemessen und als Strahlbreiten bezeichnet.

Eine Antenne ist ein passives Gerät, das keine zusätzliche Leistung für das Signal bereitstellt. Stattdessen leitet eine Antenne einfach die Energie um, die sie vom Sender empfängt. Die Umleitung dieser Energie hat den Effekt, dass in einer Richtung mehr Energie und in allen anderen Richtungen weniger Energie zur Verfügung steht.

Die Strahlbreiten sind sowohl in horizontalen als auch in vertikalen Ebenen definiert. Strahlbreite ist der Winkelabstand zwischen den halben Leistungspunkten (3dB Punkte) im Strahlungsmuster der Antenne in einer beliebigen Ebene. Daher haben Sie für eine Antenne eine horizontale und eine vertikale Strahlbreite.

Abbildung 1: Strahlbreite der Antenne

Antennen werden im Vergleich zu isotropen oder Dipolantennen ausgelegt. Eine isotrope Antenne ist eine theoretische Antenne mit einem gleichmäßigen dreidimensionalen Strahlungsmuster (ähnlich einer Glühbirne ohne Reflektor). Mit anderen Worten, eine theoretische isotrope Antenne hat eine perfekte vertikale und horizontale Strahlbreite von 360 Grad oder ein sphärisches Strahlungsmuster. Es ist eine ideale Antenne, die in alle Richtungen strahlt und eine Verstärkung von 1 (0 dB), d.h. Null Verstärkung und Null Verlust hat. Es wird verwendet, um den Leistungspegel einer bestimmten Antenne mit der theoretischen isotropen Antenne zu vergleichen.

Abbildung 2: Strahlungsmuster einer isotropen Antenne

Antennen können im Großen und Ganzen als Rundstrahl- und Richtantennen klassifiziert werden, je nach Ausrichtung.

Im Gegensatz zu isotropen Antennen sind Dipolantennen echte Antennen. Das Dipolstrahlungsmuster beträgt in der horizontalen Ebene 360 Grad und in der vertikalen Ebene etwa 75 Grad (dies setzt voraus, dass die Dipolantenne senkrecht steht) und ähnelt einem Donut in der Form. Da der Strahl leicht konzentriert ist, haben Dipolantennen gegenüber isotropen Antennen einen Gewinn von 2,14 dB in der horizontalen Ebene. Dipolantennen sollen eine Verstärkung von 2,14 dBi aufweisen, was im Vergleich zu einer isotropen Antenne liegt. Je höher die Verstärkung der Antennen ist, desto kleiner ist die vertikale Strahlbreite.

Man stelle sich das Strahlungsmuster einer isotropen Antenne als Ballon vor, der sich von der Antenne gleichmäßig in alle Richtungen erstreckt. Stellen Sie sich vor, Sie drücken auf den oberen und unteren Teil des Ballons. Dadurch dehnt sich der Ballon nach außen aus, was mehr Fläche im horizontalen Muster bedeckt, aber den Abdeckungsbereich über und unter der Antenne verringert. Dies führt zu einer höheren Verstärkung, da sich die Antenne auf einen größeren Abdeckungsbereich auszudehnen scheint.

Abbildung 3: Strahlungsmuster einer Rundstrahlantenne

Rundstrahlantennen weisen ein ähnliches Strahlungsmuster auf. Diese Antennen liefern ein 360-Grad-Horizontalstrahlungsmuster. Diese werden verwendet, wenn die Abdeckung in alle Richtungen (horizontal) von der Antenne mit variierendem Grad der vertikalen Abdeckung erforderlich ist. Die Polarisation ist die physikalische Orientierung des Elements auf der Antenne, das die HF-Energie abgibt. Eine Rundstrahlantenne ist beispielsweise üblicherweise eine vertikal polarisierte Antenne.

Abbildung 4: Antennenpolarisation

Richtantennen fokussieren die HF-Energie in eine bestimmte Richtung. Mit zunehmender Verstärkung einer Richtantenne nimmt die Abdeckungsdistanz zu, aber der effektive Abdeckungswinkel nimmt ab. Bei Richtantennen werden die Lappen in eine bestimmte Richtung geschoben, und auf der Rückseite der Antenne ist wenig Energie vorhanden.

Abbildung 5: Strahlungsmuster einer Richtantenne

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Antenne ist das Front-to-Back-Verhältnis. Es misst die Richtwirkung der Antenne. Es ist ein Verhältnis der Energie, die die Antenne in eine bestimmte Richtung lenkt, das von ihrem Strahlungsmuster zur Energie, die hinter der Antenne zurückbleibt oder verschwendet wird, abhängt. Je höher die Verstärkung der Antenne ist, desto höher ist das Front-to-Back-Verhältnis. Ein gutes Verhältnis zwischen Vorder- und Rückseite beträgt normalerweise 20 dB.

Abbildung 6: Typisches Strahlungsmuster einer Richtantenne mit kalibrierten Keulen

Eine Antenne kann eine Signalverstärkung von 21 dBi, ein Front-to-Back-Verhältnis von 20 dB oder ein Front-to-Side-Verhältnis von 15 dB aufweisen. Dies bedeutet, dass die Verstärkung in Rückwärtsrichtung 1 dBi und die Verstärkung von der Seite 6 dBi beträgt. Um die Gesamtleistung eines WLAN zu optimieren, ist es wichtig zu wissen, wie Sie die Funkabdeckung durch geeignete Antennenauswahl und -platzierung maximieren können.

Innenwirkung

Die drahtlose Ausbreitung kann durch Reflexion, Brechung oder Beugung in einer bestimmten Umgebung erfolgen. Beugung ist das Biegen von Wellen um die Ecken. Hochfrequente Wellen können mehrere Pfade zwischen Sender und Empfänger einschlagen. Ein Multipath ist eine Kombination aus einem Primärsignal und einem reflektierten, gebrochenen oder gebeugten Signal. Auf der Empfängerseite können also die reflektierten Signale in Kombination mit dem direkten Signal das Signal verfälschen oder die Amplitude des Signals erhöhen, was von den Phasen dieser Signale abhängt. Da die Entfernung, die das Gleichsignal zurücklegt, kürzer ist als das Bounce-Signal, bewirkt die Zeitdifferenz, dass zwei Signale empfangen werden.

Diese Signale werden überlappt und zu einem einzigen kombiniert. In der Realität wird die Zeit zwischen dem ersten Empfangssignal und dem letzten Echosignal als Verzögerungsspreizung bezeichnet. Delay Spread ist der Parameter, der verwendet wird, um Multipath anzugeben. Die Verzögerung der reflektierten Signale wird in Nanosekunden gemessen. Die Größe der Verzögerungsspreizung hängt von der Anzahl der Hindernisse oder der zwischen Sender und Empfänger vorhandenen Infrastruktur ab. Daher hat die Verzögerung Spread mehr Wert für die Fertigung Boden aufgrund viel metallische Struktur vorhanden im Vergleich zu der häuslichen Umgebung. Insgesamt schränkt Multipath die Datenrate ein oder verringert die Leistung.

Abbildung 7: Multipath-Effekte in Innenräumen

Die RF-Übertragung in geschlossenen Räumen und im Freien unterscheidet sich. Dies ist auf das Vorhandensein fester Hindernisse, Decken und Böden zurückzuführen, die zur Dämpfung und zu Mehrwegesignalverlusten beitragen. Daher ist die Multipath- oder Verzögerungs-Verteilung in Innenräumen häufiger. Wenn die Verzögerungsspreizung größer ist, ist die Interferenz größer und führt bei einer bestimmten Datenrate zu einem geringeren Durchsatz.

Innenbereiche können auch als Sichtbereich (Near Line of Sight, LOS) und nicht als Sichtbereich (Near Line of Sight, LOS) eingestuft werden. In Umgebungen in der Nähe von LOS, in denen Access Points (APs) zu sehen sind, wie z. B. in den Fluren, ist Multipath in der Regel unbedeutend und kann leicht überwunden werden. Die Amplituden der Echosignale sind wesentlich kleiner als die primäre. Unter Nicht-LOS-Bedingungen können die Echosignale jedoch höhere Leistungspegel aufweisen, da das Primärsignal teilweise oder vollständig blockiert sein kann und in der Regel mehr Multipath vorhanden ist.

Multipath ist ein Ereignis mit semipermanentem Fehler. Es können jedoch auch andere Faktoren, wie bewegte Objekte, ins Spiel kommen. Die jeweilige Multipath-Bedingung ändert sich von einem Abtastzeitraum zum nächsten. Dies wird als Zeitvariation bezeichnet.

Multipath-Interferenzen können dazu führen, dass die RF-Energie einer Antenne sehr hoch ist, die Daten jedoch nicht wiederhergestellt werden können. Sie sollten die Analyse nicht nur auf die Leistungsstufe beschränken. Ein niedriges HF-Signal bedeutet keine schlechte Kommunikation, aber eine niedrige Signalqualität bedeutet eine schlechte Kommunikation. Sie müssen Signalqualität und Rx-Pegel nebeneinander analysieren. Hoher Rx-Pegel und geringe Signalqualität bedeuten eine Menge Störungen. In diesem Fall müssen Sie den Kanalfrequenzplan erneut analysieren. Niedriger Rx-Pegel und geringe Signalqualität bedeuten eine starke Blockierung.

Auch die Wellenausbreitung in Innenräumen wird durch das Baumaterial beeinflusst. Die Dichte der Materialien, die beim Bau eines Gebäudes verwendet werden, bestimmt die Anzahl der Wände, die das HF-Signal durchdringen kann, und hält dennoch eine ausreichende Abdeckung aufrecht. Papier- und Vinylwände haben nur geringen Einfluss auf die Signaldurchdringung. Massivwände, Massivböden und Betonfertigwände können die Signaldurchdringung auf eine oder zwei Wände begrenzen, ohne dass die Abdeckung beeinträchtigt wird. Dies kann auf der Grundlage aller Stahlverstärkungen innerhalb des Betons sehr unterschiedlich sein. Beton- und Betonblockwände können die Signaldurchdringung auf drei oder vier Wände begrenzen. Holz oder Trockenbau ermöglicht typischerweise eine ausreichende Durchdringung von fünf oder sechs Wänden. Eine dicke Metallwand bewirkt, dass Signale abstrahlen, was zu einer schlechten Penetration führt. Stahlbetonböden beschränken die Abdeckung zwischen den Etagen auf vielleicht ein oder zwei Etagen.

Je höher die Frequenz, desto kürzer ist die Wellenlänge. Kürzere Wellenlängen haben eine höhere Wahrscheinlichkeit, von einem Baustoff absorbiert und verzerrt zu werden. 802.11a, das in einem höheren Frequenzband arbeitet, ist daher anfälliger für den Baustoffeffekt.

Die tatsächliche Wirkung auf die HF muss vor Ort getestet werden. Daher ist eine Standortprüfung erforderlich. Sie sollten eine Standortuntersuchung durchführen, um den Signalpegel auf der anderen Seite der Wände zu sehen. Eine Änderung des Antennentyps und des Antennenstandorts kann Störungen auf mehreren Wegen verhindern.

Vor- und Nachteile der Rundstrahlantenne

Omni-Antennen sind sehr einfach zu installieren. Aufgrund des 360 Grad horizontalen Musters kann es sogar von einer Decke im Innenbereich kopfüber montiert werden. Aufgrund seiner Form ist es auch sehr praktisch, diese Antennen am Produkt zu befestigen. Sie können beispielsweise Gummiduck-Antennen sehen, die an die Wireless APs angeschlossen sind. Um eine omnidirektionale Verstärkung von einer isotropen Antenne zu erhalten, werden von oben und unten Energielappen eingeschoben und in einem Ringmuster herausgedrückt. Wenn Sie weiter an den Enden des Ballons einschieben (isotropes Antennenmuster), ergibt sich ein Pancake-Effekt mit sehr geringer vertikaler Strahlbreite, aber mit großer horizontaler Abdeckung. Diese Art von Antennendesign kann sehr lange Kommunikationsdistanzen bereitstellen, hat jedoch einen Nachteil, der eine schlechte Abdeckung unterhalb der Antenne ist.

Abbildung 8: Rundstrahlantenne ohne Abdeckung unter der Antenne

Wenn Sie versuchen, einen Bereich von einem hohen Punkt aus abzudecken, sehen Sie ein großes Loch unter der Antenne ohne Abdeckung.

Dieses Problem kann teilweise mit dem Design von etwas gelöst werden, das Downtilt genannt wird. Bei Neigung werden die Strahlbreiten so angepasst, dass eine größere Abdeckung unterhalb der Antenne als oberhalb der Antenne erreicht wird. Diese Lösung des Downtilts ist in einer Rundantenne aufgrund der Art ihres Strahlungsmusters nicht möglich.

Die Rundantenne ist in der Regel eine vertikal polarisierte Antenne, sodass Sie keine Vorteile haben können, die Kreuzpolarisation hier zu verwenden, um Interferenzen zu bekämpfen.

Eine Omni-Antenne mit niedriger Verstärkung bietet eine perfekte Abdeckung für eine Innenumgebung. Es deckt einen größeren Bereich in der Nähe des WAP oder eines drahtlosen Geräts ab, um die Wahrscheinlichkeit des Empfangs des Signals in einer Mehrwegeumgebung zu erhöhen.

Hinweis: Neben den Cisco Aironet-Antennen für größere Bereitstellungen sind HGA9N und HGA7S von Cisco für kleine Büroumgebungen unterstützte Rundstrahlantennen mit hohem Gewinn.

Vor- und Nachteile der Richtantenne

Mit den Richtantennen können Sie die HF-Energie in eine bestimmte Richtung auf weitere Entfernungen umleiten. Daher können Sie lange Reichweiten abdecken, aber die effektive Strahlbreite nimmt ab. Dieser Antennentyp ist für die Abdeckung in der Nähe von LOS hilfreich, z. B. für Korridore, lange Korridore, Inselstrukturen mit Zwischenräumen usw. Da die Winkelabdeckung jedoch geringer ist, können Sie keine großen Flächen abdecken. Dies ist ein Nachteil für die allgemeine Abdeckung in Innenräumen, da Sie einen größeren Winkelbereich um den AP abdecken möchten.

Antennenarrays sollten in die gewünschte Richtung weisen, was die Montage manchmal zu einer Herausforderung machen kann.

Interferenz

Da 802.11-Geräte in den nicht lizenzierten Frequenzbändern betrieben werden, ist sie für jeden verfügbar. WLAN-Interferenzen werden durch ähnliche Geräte und andere Quellen verursacht, z. B. Mikrowellenherde, schnurlose Telefone, Radarsignale von nahe gelegenen Flughäfen usw. Interferenzen werden auch bei anderen Technologien festgestellt, die das gleiche Band wie Bluetooth oder Sicherheitsgeräte verwenden. Bei 2,4 GHz ohne Lizenz sind zur Vermeidung von Interferenzen nur drei Kanäle ohne Überlappung verfügbar.

Interferenz und Multipath bewirken, dass das Empfangssignal mit einer bestimmten Frequenz schwankt. Diese Variation des Signals wird als Fading bezeichnet. Das Fading ist ebenfalls frequenzselektiv, da die Dämpfung mit der Frequenz variiert. Ein Kanal kann entweder als ein schneller oder als ein langsamer Fading-Kanal klassifiziert werden. Dies hängt davon ab, wie schnell sich das übertragene Basisbandsignal ändert. Ein mobiler Empfänger, der eine Innenumgebung durchläuft, kann schnelle Signalschwankungen empfangen, die durch Additionen und Annullierungen der direkten Signale in Halbwellenlängenintervallen verursacht werden.

Interferenzen erhöhen die Anforderung an das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal to Noise Ratio, SNR) für eine bestimmte Datenrate. Die Anzahl der Paketwiederholungen steigt in einem Bereich, in dem die Interferenz oder der Multipath-Test sehr hoch ist. Eine Änderung des Antennentyps und des Antennenstandorts kann Störungen auf mehreren Wegen verhindern. Die Antennenverstärkung erhöht die Systemverstärkung und verbessert die SINR-Anforderungen (Signal and Interference to Noise Ration), wie hier gezeigt:

Abbildung 9: Rauschpegel und Signal-/Störverhältnis

Obwohl Richtantennen dazu beitragen, die Energie in eine bestimmte Richtung zu fokussieren, was dazu beitragen kann, Schwund und Multipath zu überwinden, verringert Multipath selbst die Fokussierungsleistung einer Richtantenne. Die Anzahl der Multipath-Verbindungen, die ein Benutzer über große Entfernungen vom WAP erkennt, kann deutlich größer sein.

Richtantennen für den Innenbereich weisen in der Regel einen geringeren Antennengewinn auf und haben daher ein geringeres Front-to-Back- und Front-to-Side-Verhältnis. Dies führt zu einer geringeren Rejektionsfähigkeit bzw. Verringerung der Störsignale, die von Richtungen außerhalb des Primärlappenbereichs empfangen werden.

Schlussfolgerung

Obwohl Richtantennen für bestimmte Innenanwendungen von großem Wert sein können, verwendet die überwiegende Mehrheit der Inneneinrichtungen aus den in diesem Dokument genannten Gründen Rundstrahlantennen. Die Auswahl einer Antenne, sowohl in direktionaler als auch in omnidirektionaler Richtung, sollte durch eine korrekte und ordnungsgemäße Standortprüfung genau festgelegt werden.

Zugehörige Informationen

• Cisco Aironet-Antennen und Zubehör - Referenzhandbuch
• Antennenkabel
• Methoden zur Erweiterung der WLAN-Funkabdeckung
• Häufig gestellte Fragen zur Wireless-Standortprüfung
• Fehlerbehebung bei Verbindungen in einem WLAN-Netzwerk
• Multipath und Vielfalt
• Dienstprogramm zur Berechnung der Reichweite von Außenbrücken
• Fehlerbehebung bei Problemen mit der Funkfrequenzkommunikation
• Technischer Support und Dokumentation für Cisco Systeme