Antennen är en försummad del av mobiltelefonin. Det gäller både basstation och mobiler. Men om några år lär kraven på lägre effekt ha tvingat fram nya, intelligentare antennlösningar.

Antennen kommer ofta i sista hand när en ny radiokommunikationsprodukt ska utvecklas. Ändå kan en bra antenn förbättra räckvidden, undertrycka störningar, ge färre bitfel och spara ström.

Att den ofta försummas kan bero på att antennen i allra högsta grad är en analog komponent och därmed svårare att simulera än de digitala delarna. Kanske beror det också på att antennen kan plocka upp störningar förutom att ta emot den önskade signalen.

Men det finns all anledning att lägga ner tid på antennen.

- Om man räknar i kronor per decibel så är antennen billigast, säger Ulf Saldell som är teknisk direktör på antenntillverkaren Allgon.

Till skillnad från en förstärkare i mottagarkedjan så ger antennen en signalförstärkning som inte drar ström. Omvänt så kan sändarens effekt kanske minskas om antennen förbättras.



Dsp bakom intelligensen


- I framtiden kommer antennerna att bli intelligentare. Det beror på att signalprocessorerna har blivit mycket kraftfullare vilket i sin tur gör det möjligt att både forma och rikta loben, förklarar Ulf Saldell.

Basstationens antenn kan få en lob som anpassas individuellt för varje användare. I Uppsala pågår ett forskningsprojekt med den inriktningen, beskrivet här intill.

En annan vision som Ulf Saldell målar upp är den intelligenta mobiltelefonantennen som inte skickar ut någon effekt mot den talandes huvud, utan bara mot basstationen.

Närmare till hands är kanske att tänka sig att mobiltelefonen automatiskt kan koppla om till en extern antenn när man tar den med sig in i bilen.

Hur lång tid det dröjer innan någon av dessa idéer blir verklighet kan ingen säga. Dessutom finns det en stark konservatism i branschen.

- Det kan dröja tre, fyra kanske fem år efter det att det finns en fungerande prototyp tills tillverkarna vågar införa det i kommersiella produkter, säger Ulf Saldell.

Även när det gäller diversitet finns mycket att göra. Diversitet innebär att man har två eller flera antenner som tar emot signalen. I den enklaste formen används bara den signal som är starkast. Men man kan mycket väl summera de olika signalerna vektoriellt även om det är mer komplicerat.

Det finns två typer av diversitet, rumsdiversitet och polarisationsdiversitet. Rumsdiversitet bygger på att antennerna befinner sig en bit ifrån varandra. Hur stort avståndet ska vara bestäms bland annat av våglängden som för GSM är drygt 30 cm. Det kan vara svårt att åstadkomma bra rumsdiversitet i en så liten apparat som en mobiltelefon.

Ett alternativ kan istället vara att använda polarisationsdiversitet. Då används två antenner som är vridna 90 grader relativt varandra. I ett av de japanska mobiltelefonsystemen används polarisationsdiversitet för att få en jämnare signalnivå.

Per Henricsson



Spröt eller parabol


En antenn kan se ut nästan hur som helst. Radioantenner är oftast bara ett spröt, mobiltelefonantenner kan se ut som en stubbe och TV-antennen är ett virrvarr av pinnar. Men antennen kan också vara en del av kretskortsmönstret eller en parabol.

För att förstå hur en antenn fungerar kan man utgå från dipolantennen. Den består av två spröt som pekar åt motsatta håll. Men för att förstå funktionen är det lättast om man antar att spröten är parallella, ungefär som i en kondensator.

Om man nu ansluter en signalgenerator bildas ett magnetiskt fält, H-fält, runt vardera sprötet och ett elektriskt fält, E-fält, mellan spröten. Det elektriska fältet varierar i riktning och amplitud med samma frekvens som signalgeneratorn. Samma sak gäller det magnetiska fältet.

Om man nu håller fast spröten i ena änden och sedan vrider isär de andra ändarna så kommer E- och H-fälten att finnas kvar även om E-fältet blir mer utsträckt. Eftersom båda fälten pulserar kommer energin att skickas iväg som vågor.

Nära antennen är vågfronten böjd men på cirka tio våglängders avstånd kan vågfronten anses vara plan.

En ideal dipol har en lobform eller antenndiagram som liknar en munk. Det innebär att antennen förstärker signaler som faller in vinkelrätt. Men ju mer mot ändarna man kommer desto mindre förstärks signalen.

Genom att kombinera flera dipoler - antennelement - kan antenndiagrammet eller loben formas.

Om avståndet mellan elementen är en kvarts våglängd blir loben smalare och förstärkningen ökar.

Genom att modifiera avståndet mellan antennelementen kan loben riktas i andra riktningar än rätt fram.



Antennforskningen har vind i seglen


Svensk antennforskning seglar för närvarande i medvind. Tillverkare som Ericsson och Allgon deltar aktivt i forskningen och satsar både pengar och mantimmar.

Länge var Chalmers den enda högskola där man bedrev forskning i någon större omfattning och fortfarande är denna forskargrupp klart störst i landet. Gruppen leds av professor Per-Simon Kildal och består idag av dussinet personer. Bland annat pågår forskning på vågledarantenner, mikrostripantenner, frekvensselektiva ytor, reflektorantenner liksom antenner till mobiltelefoner och basstationer.

Längre tillbaka i tiden var KTH framstående inom ämnet under den legendariske professor Halléns tid. Ämnet har därefter fört en mer undanskymd tillvaro. Förhoppningsvis blir det bättre med en ny professur som sponsrats av Försvarets Materielverk. Tjänsten ska delas mellan Lars Josefsson från Ericsson Microwave Systems i Göteborg och Hans Steyskal från ROME-laboratoriet i USA.

I Uppsala har antennforskning pågått sedan 1993, bland annat inom adaptiva antenner för basstationer och smarta antenner till fordon. I somras inrättades dessutom en professur där.



Sektorer spar frekvenser i storstäderna


Dagens mobiltelefoninät byggs med sektorantenner i städerna medan man på landsbygden i första hand använder rundstrålande antenner. Valet beror på vilken kapacitet som krävs. Genom att dela in cellen i sektorer kan frekvenserna återupprepas tätare och fler abonnenter får plats.

Ericsson bygger normalt sina system med tre antenner per cell i stadsmiljö och en antenn per cell på landsbygden. I undantagsfall används fler än tre antenner per cell.

Varje sektorantenn har ±30 graders öppningsvinkel vid -3 dB. Vid -10 dB har öppningsvinkeln ökat till ungefär ±60 grader.

Konkurrenten Motorola har antenner med lite andra egenskaper och använder upp till fem antenner i samma cell.

Basstationsantennernas förstärkning bestäms i första hand av öppningsvinkeln i höjdled. Genom att göra antennen högre, det vill säga använda fler element, kan loben göras smalare med högre förstärkning.