Napjaink technológiai haladására jellemző, hogy a különböző technológiák konvergenciája újabb és újabb eszközöket és műszaki megoldásokat hív életre. Nem meglepő, hogy ezen folyamat részeként az informatika és a rádiótechnika is egyre közelebb kerül egymáshoz.

A vezeték nélküli hálózati eszközök robbanásszerű elterjedésével tömegesen kerültek a háztartásokba rádió adó-vevő egységeket is tartalmazó adatátviteli eszközök, amelyekkel "wireless", "wlan", vagy éppen "WiFi" nevek alatt találkozhatunk.

Ezen eszközök sokoldalú és eredményes használatához nem nélkülözhetők a rádiótechnikai ismeretek sem. Az informatikában már jártassággal rendelkezők számára hasznos lehet ezért, ha a leggyakrabban előforduló rádiótechnikai fogalmak jelentésével is megismerkednek.

Az alábbiakban a WiFi eszközök adatlapjain olvasható, rádiótechnikai mennyiségek tartalmának megértéséhez szükséges ismereteket adjuk közre. Ezen felül magyarázatot adunk, néhány gyakrabban hivatkozott rádiótechnikai fogalom jelentésére is.

1. Teljesítmény

A rádió adás- és vételtechnikában előforduló elektromos mennyiségek között teljesítményre vonatkozó mennyiségekkel gyakran találkozunk. A teljesítmény szintek igen széles nagyságrendi határok között fordulnak elő a gyakorlatban, ezért a Watt mértékegység megtartása mellett egy logaritmikus kifejezési módszert is használnak teljesítményszintek számokkal történő ábrázolására. A teljesítmény decibel* értékben történő megadása elterjedt gyakorlat a híradástechnikában. Számos helyen találkozhatunk a dB, (decibel) dBm, dBi, dBd jelölésekkel vezeték nélküli hálózati eszközök és antennák adatlapjain.

A decibel (dB) bevezetésének egyik előnye, hogy rövid számjegyekkel írhatunk le nagyon kicsi és nagyon nagy mennyiségeket egyaránt. Legyen példa a Kossuth rádió műsorát sugárzó solti adó kisugárzott teljesítménye, amely 2 000 000 Watt (2 megawatt), és egy WiFi kártya vevőegységének bemenetére jutó, még éppen feldolgozható teljesítmény, amely 0, 000 000 000 010 Watt (10 pikowatt)

Ezek a teljesítmények decibelben úgy fejezhetők ki, ha megadunk egy referencia teljesítmény értéket és ezután már csak azt adjuk meg egy logaritmikus skálán, hogy hányszor nagyobb vagy kisebb a konkrét helyen mérhető teljesítmény, mint a referencia teljesítmény.

A decibel tehát csupán egy viszonyszám elnevezése.

Ezek előrebocsátása után már érthető lesz, hogy a sokhelyütt felbukkanó "dBm" jelölés mit jelent. A dBm jelentése decibel milliwatt, vagyis az 1 milliwatt teljesítményhez viszonyított teljesítmény mértéke.

A pozitív előjellel és egy számjeggyel megadott dBm érték 1 mW teljesítménynél nagyobb, míg a negatív előjellel megadott dBm érték 1 mW teljesítménynél kisebb teljesítményt ad meg. A számérték nagysága pedig az 1 mW teljesítménytől való eltérés mértékét adja meg.

Az általános formula a teljesítmény viszony decibelben történő kifejezésére a 10*log(P1/P2) formula. Ez dBm esetére konkretizálva dBm=10*log(PmW/1mW) (A "log" a tízes alapú logaritmust a "PmW" a milliwattban mért teljesítményt jelöli a képletben.) Ha tehát 0 dBm teljesítményről olvasunk valahol, az nem nulla teljesítményt, hanem 1 milliwatt (mW) teljesítményt jelent. 10 dBm ennek tízszeresét, azaz 10 mW teljesítményt jelent, 20 dBm pedig 100 mW-ot.

A fenti képlettel számolva a solti adó teljesítménye dBm-ben kifejezve 93 dBm, a WiFi kártya vevőegységének bemenetére jutó igen csekély teljesítmény pedig -80 dBm.

Az alábbi kalkulátor dBm és mW értékben megadott teljesítményértékek közötti átszámítások elvégzésére alkalmas, amellyel mindjárt ellenőrizhetjük is a fenti számok helyességét. (A kalkulátor használatához tizedesponton kívül más elválasztó karaktert ne használjunk.)

dBm   mW

Még fontosabb előny a decibel alkalmazásánál, hogy a logaritmikus skálán megadott arányszám esetében a magasabb rendű számtani műveletek alacsonyabbra redukálódnak, azaz a szorzás és osztás műveletek összeadássá és kivonássá egyszerűsödnek. Egy átviteli rendszeren belül decibelben megadott erősítést és csillapítást egyszerűen összeadhatjuk, vagy kivonhatjuk egymásból, mint azt a későbbi példáknál látni fogjuk.

Előbb azonban tisztázzuk a dBi és a dBd jelölések jelentését. Mindkét jelölést kizárólag antennák nyereségének megadásánál használják

A dBi jelentése dB izotróp, vagyis itt a viszonyítási alap egy úgynevezett "izotróp" antenna szabad térbe sugárzott teljesítménye. Izotróp antennának azt az antennát nevezzük, amely a tér minden irányában egyenlő intenzitással sugározza szét az elektromágneses hullámokat. A valódi antennák nem ilyenek. A valódi antenna egyes irányokba nagyobb, más irányokba kevesebb teljesítményt sugároz le.

Az antennák adatlapjain olvasható referencia legtöbb esetben mégis az izotróp antenna, mert a tér minden irányába egyenletesen sugárzó antenna matematikailag precízen leírható. Kevéssé használatos, de néhol még előfordul a dBd referencia is. A dBd jelentése dB dipole, vagyis itt a viszonyítási alap a "dipole" antenna fősugárzási irányba sugárzott teljesítménye. A "dipól" (dipole) azaz kétpólusú antenna valóságosan létező antenna típus. Ilyenek a legegyszerűbb botantennák, amelyeket például PCI buszos WiFi kártyákhoz mellékelnek.

A dipól irányfüggő sugárzása miatt a fő sugárzási irányban 2,1 dB teljesítmény többletet ad az izotróp antennához viszonyítva. (Ez 1,6-szoros teljesítmény viszony)

Mindezek megértése után elmondhatjuk, hogy a 11 dBi nyereségű WiFi 11 antenna a fő sugárzási irányban 11 dB-el nagyobb teljesítményt sugároz ki a térbe, mint egy izotróp antenna. Ez teljesítmény viszonyra átszámítva 12,6-szoros teljesítményt jelent. Ezt a többletet nevezik "antenna nyereségnek".

Az antenna nyereség fogalmának jobb megértése érdekében egy szemléletes számpélda szolgálhat segítségül. Ha a WiFi 11 antennát egy izotróp antennával cserélnénk le, és az ebből származó teljesítmény veszteséget a rádió teljesítményének megnövelésével kellene pótolnunk, úgy a szokásosan 100 mW teljesítményű WiFi eszközünk teljesítményét 1260 mW (1,26W) teljesítményűre kellene növelnünk.

Fentiekhez szorosan kapcsolódó, azonban ritkábban előforduló teljesítmény jelölés az ERP, EIRP. Az EIRP jelentése "effective isotropically radiated power", kötetlen Magyar fordításban; az "izotróp antennához viszonyított tényleges kisugárzott teljesítmény". Az EIRP értékét úgy kapjuk meg, ha az antennába bevezetett teljesítmény értékét megszorozzuk az antenna nyereség teljesítmény arányszámával. Ha 100 mW adóteljesítményt vezetünk bele egy 11 dBi, vagyis 12,6-szoros teljesítmény nyereségű antennába, akkor az EIRP értéke 1260 mW (1,26 Watt) lesz.

A hatóságok rendszerint EIRP-ben maximálják az egyes rádiórendszerekben alkalmazható teljesítményeket, ezért ennek számítását a vezeték nélküli rendszereket üzemeltetőknek ismerniük kell. Az EIRP számításánál az antenna talppontjába vezetett teljesítménnyel kell számolni, amely az antenna kábel csillapítása miatt kisebb, mint az adókészülékből kiinduló teljesítmény.

Amennyiben az adóteljesítmény 20 dBm, a kábel csillapítása 5 dB, az antenna nyereség 11 dBi, úgy az EIRP az alábbiaknak megfelelően alakul:

20 dBm - 5 dB + 11 dBi = 26 dBm EIRP, vagyis 398 mW EIRP

Máshogyan számolva: 31,6 mW * 12,6 = 398 mW EIRP

A fenti számpélda gyakorlatias voltát támasztja alá, hogy valójában egy 10 méter hosszú, H-155 jelű koaxiális kábellel szerelt WiFi 11 antenna EIRP értékét számoltuk ki.

2. Állóhullám-arány

Az állóhullám-arány az antenna és az őt tápláló adókészülék közötti "illesztettség" mérőszáma. Az illesztettség mértékének precíz meghatározása megköveteli a komplex számok ismeretét, amely a felsőoktatásban oktatott matematikai ismeretanyag része. A komplex számokkal történő műveletek elvégzéséhez mindenek előtt tisztában kell lenni az un. imaginárius egység fogalmával, (i) amely az a szám, amely önmagával való megszorzása után mínusz egyet ad. Mivel tudjuk, hogy plusz szorozva plusszal az plusz, a mínusz szorozva mínusszal az szintén plusz, így ilyen számot nem tudunk találni a valós számok körében. A "négyzetgyök mínusz egy" formában is leírható számot nevezzük imaginárius egységnek, amellyel bizonyos szabályok betartása mellett matematikai műveleteket lehet végezni. (képzetes számok)

Az illesztettség fogalmának egyszerűsített leírása a komplex számok ismerete nélkül is lehetséges, ha néhány elhanyagolást megengedünk.

Egy generátorból és egy fogyasztóból álló rendszer jellemzője, hogy akkor vehető ki a legnagyobb teljesítmény a generátorból, ha a generátor belső ellenállása és a terhelés ellenállása éppen megegyezik. Egyenáramú rendszerekben ez Ohm törvényének alkalmazásával rendkívül egyszerű számítással ellenőrizhető. (P=UI, I=U/R)

Váltakozó áramú rendszerekben ugyanez a helyzet, itt azonban a feszültség és az áram fázisa számos körülmény okán eltolódhat egymástól, így az összefüggés bonyolultabban írható le. Váltakozó áramú rendszerekben ezért az "impedancia" fogalmat használják, amely az ellenállással rokonítható fogalom, azonban az impedanciának komplex összetevői is vannak, amelyek kapacitívak vagy induktívak lehetnek.

Egy adókészülék antennakapcsain adáskor váltakozó feszültség jelenik meg. Ennek frekvenciája az alkalmazott hullámsávnak megfelelően széles határok között eltérő. A 2,4 GHz sávban működő adókészülék antennakapcsain kettőmilliárd négyszázmillió ( 2 400 000 000) rezgésperiódus játszódik le másodpercenként.

Ha azt szeretnénk elérni, hogy az adó által előállított teljesítmény legnagyobb része kisugárzásra kerüljön, akkor biztosítani kell a fentebb már jelzett feltételt, hogy ti. a generátor (rádióadó) és a terhelés (antenna) impedanciája egyezzen, és a feszültség és áram fázisa is azonos legyen.

Ha ez nem valósul meg, akkor reflexiók (visszaverődések) jönnek létre az antennához vezető kábelen, amely veszteséget eredményez. Az antenna felé haladó hullámok és a visszafelé közlekedő visszavert hullámok találkozása úgynevezett állóhullámokat hoz létre, amely amplitúdója az illesztettlenség mértékével arányos. Ilyen módon az állóhullámok megjelenése az illesztettlenség jele. Az állóhullámok maximális és minimális feszültségértékének arányszáma a VSWR "voltage standing wave ratio" az illesztettség egyik gyakran alkalmazott mérőszáma.

A hétköznapi gyakorlatban elég az alábbiakat számon tartanunk: Egy antenna annál jobban hasznosítja a betáplált teljesítményt, minél kisebb állóhullám-arányt lehet rajta mérni az üzemi frekvenciatartományban. Általában a VSWR 1:3 értéket tekintik kritikus felső határnak, ahol a teljesítmény veszteség éppen eléri a 25%-ot. A WiFi antennák esetében a 2,4 - 2,5 GHz közötti frekvenciatartományt használjuk. Ha ezen a tartományon belül a VSWR értéke nem rosszabb mint 1:1,5 úgy az illesztettlenségből eredő teljesítmény veszteség nem nagyobb mint 4%.

Fenti ismeretek birtokában már majdnem minden érthetővé válik egy antenna adatlapján. Egy fontos adat magyarázata azonban még hiányzik. Ez az adat a nyílásszög.

3. Nyílásszög

A nyílásszög az iránysugárzó antennák irányhatásának mérőszáma. A nyílásszög megadása összehasonlítást tesz lehetővé iránysugárzó antennák között arra a tulajdonságukra nézve, hogy mennyire képesek a beléjük táplált teljesítményt egy nyalábba gyűjteni és egy konkrét irány felé kisugározni.

A távközlésben úgy lehet gazdaságosan és a legkisebb kölcsönös zavartatás árán rádiójeleket továbbítani, ha előzőleg felmérjük, hogy hol vannak azok a rádióállomások, amelyekkel rádióforgalmat fogunk lebonyolítani. Ha az antennánk olyan, hogy csak ezek felé a rádióállomások felé sugároz, úgy nem használunk el felesleges energiát, vagyis csekélyebb energiával elérhetjük célunkat.

Ha egy rádióállomás a föld felszínén minden irányban elhelyezkedő rádióval kapcsolatot kíván teremteni, akkor úgynevezett "körsugárzó" antennát használnak. Ha azonban például a világűr felé továbbítunk, vagy onnan veszünk rádiójeleket, akkor célszerű egy keskeny nyalábban kisugározni a rádiófrekvenciás teljesítményt, hogy a lehető legtöbb teljesítmény a kiszemelt helyre jusson. Egy keskeny nyalábbal sugárzó antennával azonban pontosan célba kell venni a vele forgalmazó másik rádió antennáját, mert ha a beállítás pontatlan, akkor csak kevesebb teljesítmény érkezik a kiszemelt helyre.

A nyílásszög azt a szögértéket adja meg, amennyivel a helyes sugárzási iránytól balra-jobbra, vagy felfelé-lefelé eltérve a célba vett antennán felfogható rádiófrekvenciás teljesítmény a felére csökken. Decibelben kifejezve a fele teljesítmény viszonyszáma -3 dB, ezért az adatlapokon a nyílásszöget a -3dB-es szintcsökkenésre vonatkoztatva adják meg.

A WiFi 11 antenna esetében 55°-os szögön belül található az a tartomány, ahol a teljesítményarány -3dB értéken belül marad. Ezt a gyakorlatban úgy kell elképzelni, hogy a helyes irányba beállított antennánkat az árboc körül lassan forgatva azt tapasztaljuk, hogy a bejövő jelszint csökkenni kezd. Ha a számítógépünk WiFi monitor programja dBm skálázással van ellátva, akkor a forgatás hatására egyszer elérkezünk ahhoz az értékhez, amelynél a leolvasott érték éppen 3 dB-lel lesz kisebb a kezdeti értéknél. Végezzük el a forgatást az ellentétes irányban is, hasonló módon. A két szélső elforgatási irány között mérhető szög lesz az antennánk nyílásszöge a vízszintes síkban.


Az antennák egy része a függőleges és a vízszintes irányeltérésekre különböző mértékben reagál, ezért szokás megadni a függőleges nyílásszög értékét is, ha az eltér a vízszintes nyílásszög értékétől. A függőleges nyílásszöget érelemszerűen az antenna fel-le billentésével lehet megállapítani.

Szokásos még megadni az antennák hátrasugárzási csillapítását is, amely azt mutatja, hogy az antenna a fősugárzási iránnyal éppen ellentétes irányban mennyivel kisebb teljesítményt bocsát ki.

4. Hullámellenállás

Az antennák táplálásához használatos koaxiális kábelekkel kapcsolatos fogalom a "hullámellenállás" fogalma. Közönséges ellenállásokról csak egyenáramú rendszerekben lehet beszélni, ezért mindig megkülönböztetjük az ellenállás fogalmát, ha váltakozó áramú - vagy mint esetünkben is - nagyfrekvenciás rendszerekben alkalmazott eszközök tulajdonságait írjuk le.

A váltakozó áramú ellenállás különböző frekvenciákon megmérve különböző lehet, amit a konkrét eszköz tulajdonságai határoznak meg. Közönséges Ohm mérővel tehát nem lehet váltakozó áramú ellenállást megállapítani. Ennek ellenére a váltakozó áramú ellenállás értéke is Ohm mértékegységgel adható meg.

A hullámellenállás fogalma az antennákat tápláló vezetékekhez kapcsolódik. A WiFi eszközöknél a koaxiális kábelek használata terjedt el, jóllehet más rendszerű tápvezetékek is használatosak a híradástechnikában. A koaxiális kábel egy hengeres csőben futó hengeres vezetőből álló elrendezés neve. A gyakorlatban ezek többnyire hajlékony kivitelben készülnek.

A koaxiális kábel hullámellenállása praktikus megközelítéssel az az Ohm érték, amellyel egyező terhelést kapcsolva a kábel végére, minimális veszteséggel jut el a rádiófrekvenciás teljesítmény a terheléshez.

A koaxiális kábel hullámellenállása első közelítésben a belső ér külső átmérőjének és az azt körülfogó cső alakú vezető belső átmérőjének arányától függ. A koaxiális kábel hullámellenállását a két vezető közötti teret kitöltő szigetelő anyag dielektromos állandója is befolyásolja.

A kábel villamos tulajdonságait alapul véve úgy is definiálhatjuk a kábel hullámellenállását, hogy az a kábel induktivitásának és kapacitásának hányadosából vont négyzetgyökkel egyezik. Ha egy tetszőleges hosszúságú kábel kapacitását megmérjük, majd a kábel végét rövidre zárva az induktivitását is megmérjük, akkor a Z = négyzetgyök(L/C) képlettel kiszámítható a kábel hullámellenállása.

Fontos tudni, hogy a híradástechnikában gyakran alkalmaznak névleges (nominal) értékeket valóságos eszközök tulajdonságainak specifikálására. Az elméletileg meghatározott ideális értékek ugyanis technológiai okok miatt nem tarthatóak fenn minden körülmények között.

Egy koaxiális kábel hullámellenállása ezért bizonyos határok között eltérhet a specifikált értéktől. Ez azonban nem befolyásolja a rádiórendszerek működését, mert azokban helyes méretezés mellett mindig marad elegendő tartalék a veszteségek ellensúlyozására.

A WiFi hálózatokban 50 Ohm hullámellenállású koaxiális kábeleket használnak. A WiFi rádió egységek és antennák ehhez illeszkednek. Ha a kábel hullámellenállása nem tér el jelentősen a névleges értéktől, úgy csekély veszteség árán a rendszer működőképes marad. Éppen ezért használhatunk 75 Ohm hullámellenállású kábelt is a WiFi rendszerekben, ha tudomásul vesszük, hogy ez 0,68 dB többlet veszteséget okoz.

Sokkal nagyobb veszteség forrása azonban a kábel hosszúságával arányos "kábelveszteség".

5. Kábelveszteség

A WiFi csatoló eszközt és a WiFi antennát általában néhány méter hosszúságú kábel köti össze. A kábel csillapítja az antennához eljutó rádiófrekvenciás teljesítményt, amely teljesítményveszteséget eredményez. Ez a veszteség a kábel hosszával nő. A kábelveszteség döntő részben a vezetők ellenállásából és a szigetelő dielektromos veszteségéből származik.

A koaxiális kábelek adatait tartalmazó katalógusok általában 100 méter kábel hosszra adják meg a kábelveszteség értékét. Az alkalmazott átviteli frekvencia növekedésével egyre nagyobb a 100 méterre vonatkozó veszteség. A H-155 jelű kábel vesztesége 2,4 GHz frekvencián 49 dB. Decibel skálán kifejezve a hosszúság és a veszteség konkrét értéke között egyenes arányosság áll fenn. Ebböl az következik, hogy 10 méter H-155 jelű kábel vesztesége 4,9 dB, 1 méteré pedig 0, 49 dB lesz.

A nagyobb átmérőjű kábelek vesztesége kisebb, ezek azonban nehezebbek, drágábbak és merevebbek. Mindig a helyi feltételek alapján dönthető el, hogy milyen kábelt, milyen antennát és milyen egyéb rádiótechnikai eszközöket kell egy állomáson felszerelni a gazdaságossági és a megbízhatósági szempontok érvényesülése érdekében.

Fentiekben összefoglalást adtunk azokról a fogalmakról és mértékegységekről, amelyek a vezeték nélküli hálózatokban használatos rádiótechnikai eszközök leírásaiban előfordulnak. Amennyiben Ön mégsem kapott választ mindenre, amely a tárgykörhöz kapcsolódóan érdekli, írja meg nekünk, hogy ennek alapján kibővíthessük ismeretterjesztő anyagunkat.

***

*A decibel kifejezés Alexander Graham Bell neve után a Bell Telephone Laboratory nevű intézetből származik. A decibel a Bel (B) egytized része.

Linkgyűjtemény

1. HTE   2. HTE   3. MT