アンテナの性能 [ホワイトペーパー]

2010年9月30日

はじめに

ワイヤレス技術の新時代において、制御およびオートメーション技術者は、さまざまな環境におけるワイヤレス検出・監視システムの検証と設置をますます求められています。技術者は、ワイヤレスネットワークの持つ柔軟性、信頼性、および設置の簡易性を活用するために、新しい技術と用語の中でも特にワイヤレスシステムに使用されるアンテナについて、十分に理解しておく必要があります。

アンテナはワイヤレスネットワークの重要なコンポーネントです。適切なアンテナを使用することによって無線ネットワークの範囲と信頼性を最適化することができますが、一方で、誤ったアンテナを使用してしまうと、高性能ワイヤレス装置の機能が停止してしまう原因となります。

このホワイトペーパーでは、制御およびオートメーション技術者を対象に、設置環境の範囲におけるアンテナの性能の解析に使用される主な性能特性の基礎知識について説明します。メトリクスには次の項目の理解が含まれます。

  • アンテナの性能
  • ゲイン
  • アンテナの種類
  • 見通し線
  • リンクマージンの算出

アンテナの構造

各アンテナには、無線信号の範囲と放射パターンを決める固有の特性があります。

アンテナとは何か

アンテナは、高周波電流を電磁波に変換することによって無線信号を伝送し、電磁波を高周波電流に戻すことによって信号を受信します。

電磁波はそれを伝送するための媒体を必要としないため、アンテナは空気中、宇宙、水中やその他の液体中、さらには限定された距離を固体物質を介して機能することができます。各アンテナには、無線信号の範囲と放射パターンまたは形状を決める固有の特性があります。アンテナの特性においても最も重要な特性はそのゲインです。

ゲイン

無線信号の整形をアンテナのゲイン (利得) と呼びます。ノズルが水の流れを調整するのと同じように、アンテナのゲインは特定の方向と放射パターンの無線信号にフォーカスを当てています。アンテナのゲインが高いほど、信号のフォーカス度が高くなります。

アンテナのゲインはデシベルで測定されます。デシベルは、特定の値と同じ単位の測定値の基底値の対数比です。無線電力に関して言えば、dBmは1ミリワットに比例する電力の比率で、1 mWが0 dBmとなります。

1つ目の表では、dBmと電力の対数関係を示しています。dBmのわずかな変化が電力に大きな変化を与えています。

10 dBm減るたびに電力は10の因数で減少し、1 mW未満の電力レベルは負のデシベルになります。2つ目の表では、わずか3 dBmの変化で、システムの電力が半減することを示しています。

実験では、ゲインが6 dB増加するごとに無線信号範囲が2倍になっています。しがたって、ユニティゲインアンテナ (0 dBゲイン) を使う無線システムが2マイル先に伝送する場合、同じ無線の6 dBアンテナは信号を4マイル先に伝送するということです。

ほとんどのアンテナの仕様は、ゲインを「dBm」、「dBi」、または「dBd」で表します。これらのデシベル単位が何であるかを理解することは現時点で重要ではありませんが、確かな規則は次の通りです。

 dBm = dBi = dBd + 2.15

全無線システムのゲインとロスを追加する場合は、各システムコンポーネントで必ず同一のdB単位を使用します。

範囲を追加するほかに、ゲインを追加することで放射パターンが変化します。放射パターンがどのように変化するかは、アンテナの種類が全方向性であるか指向性であるかによって異なります。

無線システムにゲインを追加しても信号は増幅されません。これはゲインの焦点は信号にあるためです。システムにゲインを追加すると、通常、縦方向に送信される無駄なエネルギーを抑制し、代わりに、そのエネルギーを水平面に当てます。
dBm 電力
+20 100 mW
+10 10 mW
0 1 mW
-10 100 µW
-20 10 µW
-30 1 µW
-40 100 nW
-50 10 nW
-60 1 nW
-70 100 pW
dBm 電力
30 1.00 W
29 794 mW
28 631 mW
27 501 mW
26 398 mW
25 316 mW
24 251 mW

全方向性アンテナ

その名前が示す通り、全方向性アンテナは均一にすべての方向で無線信号を送受信します。無線に関連する物理により、全方向性アンテナの効果的な信号パターンはドーナツ状で、アンテナはそのドーナツの穴の中心にあります。全方向性アンテナの良い例として、山頂に建てられたラジオ局の送電塔が挙げられます。携帯電話やトランシーバーで使用されるアンテナも全方向性アンテナです。

ワイヤレスネットワークでは、屋内環境とスター型ネットワークの中心にある装置には、全方向性アンテナが最適ですが、長距離ポイントツーポイント通信では、最善のオプションとは言えません。

スター型ネットワークの場合、ゲートウェイに全方向性アンテナを使用することで、すべてのノードをアンテナの放射パターン内に確実に収めることができます。見通し線無線システムでは八木アンテナの使用が最適です。これは、八木アンテナが無線信号を特定の方向に向けるためです。
全方向性アンテナを上から見ると、すべての方向に均一に伸びているのがわかる
ただし横から見た場合、全方向性アンテナにはドーナツ状に近い形状がある

アンテナに非常に近いところには信号が存在しません。ほとんどのダイポール全方向性アンテナには、信号受信に最適な最低距離が設けられています。

高ゲイン

ゲインを増加した全方向性アンテナにも、上から見た場合に、円形の放射パターンがあります。ただし横から見た場合、垂直に送られるエネルギーが減少し、その分水平面に送信されるエネルギーが増加します。放射パターンは距離を伸ばして範囲を広げ、水平面に沿った信号に焦点を当てます。

これにより、2つの無線間の高度の変化に対する、高ゲインの全方向性アンテナの無線感度がより高くなります。

全方向性アンテナのゲインを増加すると、縦方向に送信されるエネルギーが減少し、水平方向に送信されるエネルギーが増加して範囲が広がる。

指向性 (八木) アンテナ

発明者に因んで名づけられた八木アンテナは、送信機または受信機のほとんどのエネルギーを一方向に向ける指向性アンテナです。アンテナの放射パターンを光と比較すると、全方向性アンテナは電球のように、球状パターンで均一に無線信号を放射します。一方、指向性アンテナは、懐中電灯のように一方向に信号を放射します。ゲインが高くなるほど、ビームのフォーカスが強くなります。

八木アンテナは長距離の見通し線通信に理想的です。センサネットワークでは、タンクレベル監視などの屋外用途によく八木アンテナが使用されています。見通し線がない場合、八木アンテナはうまく性能を発揮しません。

八木アンテナは一方向に信号を放射。

高ゲイン八木

八木アンテナの放射パターンは細いため、無線ネットワークをセットアップする際に高ゲイン八木を正確に向けることが重要となります。無線ネットワーク設置者は、望遠鏡やレーザーサイトなどさまざまなツールを使用して、試行錯誤しながら、八木アンテナを正確に調整できます。

アンテナのゲインが高いほど、特定の面に沿った信号のフォーカス度が高まります。高ゲインアンテナの使用は、見通し線用途に限る必要があります。

八木のゲインが増加すると、無線信号は特定の方向に向かってそのフォーカス度が高まる。

見通し線の重要性

正確な無線伝送は、無線アンテナ間の経路に障害物のない「見通し線」によって決まります。建物や木、または地形などの障害物がアンテナ間の視線を邪魔している場合、そういった障害物は無線信号の伝送も干渉し、マルチパスフェージングや信号減衰の増加につながります。

マルチパスフェージングは、2つ以上の経路で無線信号が受信機に到達することで起こります。産業においては、受信した信号には、建物、設備、木、または屋外の地形に反射した信号のほかに見通し線信号が含まれる場合があります。信号減衰は、媒体 (この場合は空気) を移動した結果起きる信号強度の衰えです。

見通し線が確保されていても、第1フレネルゾーンの障害物が受信障害の原因となっている場合がある。

見通し線に障害物がない場合でも、2つのアンテナを焦点として形成される3次元楕円体のフレネルゾーンに障害物があれば、無線信号を干渉し、マルチパスフェージングを引き起こします。障害物がなくなる十分な高さまでアンテナを上げましょう。見通し線が確保されている場合であっても、フレネルゾーンに障害物がないことが理想です。

無線ネットワークの基地が、複数の障害物または地形のばらつきがあるエリアに広がって設置されている場合は、確実な性能を得るために、実地調査を行って、最適なアンテナの設置場所、アンテナの取り付けの高さ、および推奨されるゲインを判定してください。

無線電力とFCC

無線製品のデータシートを確認する際、注目する必要のある2つの重要な仕様は、無線の伝送電力と受信感度です。

伝送電力は伝送された信号強度を表し、受信感度は受信機が確実に検知できる最低信号強度を指します。この2つの仕様はアンテナではなく無線固有のもので、dBmまたはミリワットで表されます。

送信器に関しては、正の数が大きくなるほど強度が高いことを示します。受信器に関しては、数値が小さいほど受信性能が良くなることを示します (受信感度は必ず負の数字です)。伝送電力または受信感度にたった1 dBmのずれがあるだけで、無線の範囲に大きな差が生まれます。

FCCが打ち立てた規則によると、アンライセンスバンドで動作している無線システムは、その無線システムの電力に限られるとされています。無線システムは、30 dBmの総放射電力または約1ワットを超えてはいけません。

リンクマージンの算出

2つの無線が通信している場合、これらはリンクされているといいます。リンクの質または強度はデシベル (dB) で測定されます。技術者が無線信号の飛距離を判定する場合、「リンクマージンの計算式」が使用されます。無線論理によると、0 dBより大きいリンクマージンは強いリンクとなります。実際には、システムエンジニアが快適と感じる、2つの無線間のリンクマージンは、少なくとも6 dBで、よければ10 dBが求められています。

リンクマージンは、次の計算式を使って算出されます。

  • リンクマージン = (合計システム損失) – (受信器の感度)
  • 合計システム損失 = 送信器のゲイン + 受信器のゲイン + 自由空間損失

送信器と受信器の総ゲインが正の数であり、合計自由空間損失が負の数であるため、合計システム損失は負の数になります。受信器の感度は負の数です。

算出されたリンクマージンが10 dBiを超える場合、受信器は無線信号を確実に受信します。算出されたリンクマージンが10 dBi未満である場合、算出に使用されたアンテナはこの環境での使用に適してない可能性があります。FCC規制を超えていない場合は、より高いゲインのアンテナを使用してリンクマージンを再計算することをお勧めします。 

自由空間損失

自由空間損失とは、アンテナの種類やその仕様に関係なく、無線信号が大気中を移動する際に自然に減衰する部分を指します。

無線信号範囲は周波数に逆比例します。周波数が低いほど、範囲がより長くなり、信号はパスロスや干渉による影響を受けにくくなります。自由空間損失の計算式は次のとおりです。

FSL900MHz = 31.5 + 20 Log d (dはメートル)

FSL2.4GHz = 40 + 20 Log d (dはメートル)

総合すると

送信器または受信器の総ゲインを算出する場合、ケーブル、コネクタ、信号伝搬に貢献するすべてのアイテムの全損失を含めます。

すべての無線送信器、受信器、アンテナ、ケーブル、およびコネクタのデータシートには、伝送電力、受信感度、アンテナのゲイン、およびケーブル配線の損失が記載されています。コネクタペアには0.5 dBの損失があり、避雷器には0.5から1.5 dBの損失があるかもしれません。ケーブル配線による損失は製造業者によって異なり、通常、ケーブル100フィート当たりで記載されています。

問題になっている唯一のパラメータは自由空間損失です。システムエンジニアは、自由空間損失の計算式を使って、ポイントツーポイント無線システムの各リンクに十分なリンクマージンがあることを判定することができます。

バナーのSureCrossシステム

バナーのSureCross無線装置は、小規模のネットワークで使用する低ゲイン全方向性アンテナから長距離見通し線用途で使用する高ゲイン八木アンテナまで、さまざまなアンテナを使用するように設計されています。すべてのバナーアンテナは、FCC要件と規制を満たしています。

  基本仕様 用途例
全方向性 すべての方角で均一に送受信します。スター型ネットワークの中央装置に最適です。ゲインが高いほど、垂直に伝送される信号が少なく、全方角に水平に伝送される信号が増えます。
低ゲイン全方向性アンテナは多電波伝搬または、部品ピッキングのビンの監視と表示、自動車製造段階の監視、温度や湿度などの環境条件の調整といった産業環境で性能を発揮します。
指向性

一方向の送受信に最適です。装置間に障害物のない見通し線が必要です。ゲインが高いほど、垂直に伝送される信号が少なく、水平に一方向に伝送される信号が増えます。

八木は、タンク施設、廃水、または大規模な農産施設の監視といった長距離の見通し線用途に最適です。

アンテナを設置したら、すべてのゲートウェイ装置に含まれるバナーの実地調査機能を使って、信号強度を簡単に解析できます。実地調査を行うことにより、受信しなかったデータパケット数と受信したデータパケット数のレポートを作成することによって、ゲートウェイとネットワーク内のすべてのノードの間に確立される無線通信リンクを解析します。実地調査の結果にはデータパケットの受信率がパーセント率で記載され、受信した信号の信号強度が示されます。

加工処理分野の監視・制御用途は限りなく広がっています。タンクレベルからライン圧力まで、温度から電圧まで、SureCrossワイヤレスネットワークは、ほとんどの環境で簡単かつ確実に、導入、拡張、解析、および再導入することができます。

定義

用語 定義
デシベル
同じ単位を持つ特定の値と基底値の対数比
EIRP (等価等方輻射電力) 
0dB送信アンテナに対し、送信器アンテナのメインローブに見られる実効電力。EIRPは、通常アンテナゲイン (dBi) + アンテナへの電力 (dBm) に同等です。
自由空間損失
信号が自由空間を放射する際に発生する無線信号の損失。
ゲイン
アンテナが信号出力に集中できる程度。3dBゲインのアンテナは実効伝搬電力が2倍になり、6dBごとに信号が伝搬される距離が2倍になります。ゲインを増加すると、信号の水平方向の距離が増加し、縦の高さが減少します。信号は「つぶされて」、水平面に沿って信号強度が濃縮されます。
ゲートウェイ
無線ネットワークの他の装置へのコマンドを制御・初期化するために使用するSureCross™ ワイヤレスネットワーク マスター通信装置
待ち時間
データパケットの伝送と受信の間の遅延時間
見通し線
確実な通信に必要な、無線アンテナ同士の間にある障害物のない電波の通り道
リンクマージン
2台のワイヤレス装置の間に結ばれる無線接続の強度
ノード
遠隔エリアに検出機能を提供するために使用されるSureCrossワイヤレスネットワーク スレーブ装置
システムマージン (またはフェードマージン)
受信した信号レベル (dBm) と確実な受信に必要となる受信機の感度 (dBm) の差。受信機の感度は、10 dBm より大きく受信信号レベル未満であることをお勧めします。たとえば、空中を移動した後の信号が -65 dBであり、無線受信機が -85 dB定格である場合、システムマージンは20 dBとします。優良なマージンです。

この記事で取り上げられた製品

Performanceシリーズのゲートウェイとノード
Performanceシリーズのゲートウェイとノード

大規模なエリアでI/Oを伝送するポイントツーマルチポイント (一対多) ネットワークを作成します。入出力のタイプにはディスクリート (ドライ接点、PNP/NPN)、アナログ (0~10 V DC、0~20 mA)、温度 (熱電対およびRTD)、およびパルスカウンタがあります。

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