TEKNOSTART 2017 Prosjektoppgave for studieretning Elektronisk systemdesign og innovasjon

Transkript

1 Prosjektoppgave for studieretning Morten Olavsbråten Bedre rekkevidde for WiFi 1. Orientering 2. Oppgaven 3. Beskrivelse av gjennomføring og teori 4. Vurderingsmoment

2 2 PROSJEKTET for Elsys: Bedre rekkevidde for WiFi Rekkevidden for radiolinken er avhengig av hvor mye effekt som kommer fra senderen til mottageren Vi kan ikke skru på forsterkeren i WiFi senderen Vi kan se til at den sender effekten (gjennom radiobølger) i rett retning Sett en reflektor ved antennen som fokuserer bølgene i retning av mottageren De best gjennomført prosjektene premieres med gavekort på Peppes Pizza!

3 3 Oppgaven Bedre rekkevidde for WiFi Beregne formen på reflektoren til antenne Lag reflektoren Mål antennediagram for reflektorantennen i antennehallen Beregne økt rekkevidde med reflektorantennen Beregne effektivitet og mål halveffekts strålebredde for reflektorantennen Demonstrer reflektorantennen i en shootout for et WiFi system

4 4 Trådløse Trondheim WiFi, en WLAN standard Wireless Local Area Network Erstatter kabler i et nettverk For datakommunikasjon Pakkebasert kommunikasjon Finnes over alt Bærbare datorer Nettbrett Smartphones Spillkonsoller WiFi: Standard IEEE b,g,n,.. The Institute for Electrical end Electronic Engineering Max EIRP: 100mW (20dBm) Rekkevidde: m Frekvensbånd GHz 11 kanaler (20 MHz) I målingene bruker vi f c =2.45 GHz Omtrent i midten av frekvensbåndet WiFi WLAN router brukes i vår shootout

5 5 Radiotransmisjon i fritt rom: Rekkevidde for isotrop antenne Mottatt effekt P r bestemmer signal kvalliten og dermed dataraten. For økt avstand d med samme P r trengs økt P t eller A e Utsendt effekt, P t P t Isotrop antenne d A e Effekttetthet på en sfære ved avstand d P t Sd ( ) W/m 2 4 d 2 Effekt mottatt med mottager antenne A e PA t e Pr S(d)A e W 2 4 d Effektiv areal til antennen, A e Pr S(d) motatt effekt m effekttetthet 2

6 6 Antenne direktivitet En direktiv antenne fokuserer effekten i en retning Økt effekttetthet i noen retninger Antenneforsterking, G o Hvor mye bedre er antennen på å sende effekt i en gitt retning i forhold til en isotrop antenne En isotrop antenne sender likt i alle retninger -3 db fra maks Sender antenne Maks uteffekt av EM felt Vinkelen θ er antennens halv effekts strålebredde Sidelober Hovedlobe

7 7 Effektiviteten η til en antenne Antenneforsterking gis av G 4 A λ er bølgelengden f c er frekvensen 2 c er lysets hastighet m/s e f c c Effektive area til antennen: A e Størrelsen på antennen som samle all effekt i den areaen Har vi G kan vi beregne A e Fysisk area til antennen: A p Størrelsen til åpningen på reflektoren Forholdet mellom fysisk og effektiv area gis av A e = η A p Effektivitets parameter η Stor parabol η 0.55 (Liten reflektor gir andre resultat) Horn η 0.75

8 8 Eksempel: Antenneforsterking for dipolantenner Antenneforsterking for kort dipol G 0 = 1.5 ganger mer en rundstålene antenne G 0 = 10log 10 (1.5) 1.75 dbi L<< /2 Antenneforsterking for halvbølgedipol G 0 =1.63 ganger mer en rundstålene antenne G 0 =2.14 dbi L Antennediagram Vår antenne er en halvbølgedipol Dere måler økt forsterking med reflektor i forhold til uten Total antenneforsterking med reflektor (i db) blir da G målt øking i db G 1.63 målt relativ øking lineært

9 9 Formen på reflektoren Plane bølger på vei ut Radiobølgene som kommer til antennen skal samles i et punkt, fokus For en avlang antenne må fokus følge antennen Antennen er avlang Fokus blir en linje For en plan bølge som kommer rett forfra skal alle stråler ha like lang vei til fokus via reflektoren Trenger dere å vite mer? Reflektor Rød og grøn vei like lang Antenne i fokus Plane bølger på vei in Antennen er like god på å sende som å motta

10 10 Plassering av fokus En bølge snus opp-ned da den reflekteres mot en ledende overflate Det blir som om bølgen hadde gått en halv bølgelengde ekstra For at bølger skal adderes positivt må de være i fase For å være i fase må gangveiforskjellen være et helt antall bølgelengder f c er frekvensen (vi bruker f c =2.45 GHz) c m/s er lysets hastighet λf c = c Hvis vi vil at bølgen som kommer direkte til antennen forfra og bølgene som reflekteres skal adderes positivt, hvor langt vekk fra reflektoren skal antennen stå da?

11 11 Forslag til reflektor Ting som leder strøm reflekterer elektromagnetiske bølger Lim fast aluminiumsfolie på papp/papir Dette er selve reflektoren men med feil form Lag det som holder reflektoren i form og på plass Klipp ut formen i papp Det trenges 2-3 stk holdere for å holde reflektoren på plass Sett sammen reflektoren med det som gir formen Dere kan sette papp både foran og bak reflektoren Lag hull i fokus for antenna slik at antennen er fiksert En penn er omtrent like tykk som antennen Hare dere en idé om hvordan dere skal lage antennen? Bruk den!

12 12 Måle antennediagram i antennehallen Sett reflektoren på en antenne i antennehallen Antennehall: ekkofritt rom uten radiorefleksjoner Reflektor og antenne roteres og mottatt signaleffekt måles som funksjon av vinkel Et antennediagram/strålingsdiagram Bruk referansemåling for dipolantennen uten reflektor for å se forbedringen med deres reflektorantenne Måling onsdag ettermiddag den 23/8. Strålingsdiagram

13 13 Antennehallen Ekkofritt rom Antennetårn Absorbenter Roterende skive med AUT Senderhorn Nesten plan bølge Forsterker Absorbenter RF kabel Gruppe Dør ANA 1 2 MM4005 ANA = Automatisk nettverksanalysator S 12 = Signal inn på 1 / Signal ut på 2 MM4005 = Kontrollenhet for rotasjonsakser på antennetårn AUT = Antenna under test (Måleobjekt) PC med program for styring av MM4005 og ANA PC ± Max målt S12: 12.4dB Referanseantenne S12 ved 0 grader: 23.7dB

14 14 15 Gruppe Antennediagram Antennediagram viser hvor mye effekt som mottas i en retning av antennen Det viser også i hvilken retning antennen kan sende effekt Vi bruker et horisontalt antennediagram Vi måler hvor mye mer effekt vi sender i en retning med reflektorantennen i forhold til uten: ± Max målt S12: 12.4dB Referanseantenne S12 ved 0 grader: 23.7dB Øking av antenneforsterkingen i db, G 1 -G 0 S 12 med reflektor minus S 12 for referanse antenne = G 1 -G 0 o Målt i db o Se på høyeste forsterkingen dere får

15 15 Hva er db? Put 10 log10 Pin db er mål på relativ effekt Det er en sammenligning mellom to verdier En forsterker som dobler signaleffekten har en forsterkning på 3 db dbm er effekt målt relativt referanseverdien P in =1mW Antenneforsterking er litt annerledes Antennen adderer ikke effekt til signalet Antennen kan fokusere effekten En isotrop antenne stråler likt i alle retninger dbi er forsterkingen i forhold til en isotrop antenne Forsterking ggr π Forsterking i db -10 db 0 db 3 db 5 db 6 db 7 db 9 db 10 db 20 db 30 db

16 16 Vurderingsmoment Poeng Rapport 0-6 Dokumentasjon, utledninger og beregninger Presentasjon 0-5 Formidling, utledninger / beregninger Effektivitet til antennen 3η Forbedret signalstyrke G 1 -G 0 Målt i antennehallen i db i forhold til ref. antenne Forbedret signalstyrke (G 1 -G 0 )/2 (skaleres ned med faktor 2) Målt i shootout i db i forhold til antenne uten reflektor Flest poeng totalt vinner 2017 Designpremie til gruppen som laget den peneste og mest brukervennlige antennen

17 17 Rapport Tre oppgaver skal behandles i rapporten: 1. Utledning av reflektorens form og plassering av fokus 2. Utledning av forbedring av rekkevidden til antennen 3. Beregning av antennes forsterking, effektivitet og halv effekt strålebredde Vis ligninger og forklar designvalg i forhold til resultat Rapporten skal ha forside og 1-2 sider per oppgave 1-3. På forsiden skal stå Gruppenummer Areaen til reflektor, målt G 1 -G 0 i dbi, η, forbedring av rekkevidde (ggr) Rapporten gis til læringsassistenten tor. 24/8 kl 15:00.

18 18 Presentasjon De tre oppgavene som skal presenteres er 1. Utledning av reflektorens form og plassering av fokus 2. Utledning av forbedring av rekkevidden til antennen 3. Beregning av antennes forsterking, effektivitet og halv effekt strålebredde Vis ligning og forklar designvalg i forhold til resultat Forbered presentasjoner for alle tre Hver presentasjon er 5 minutter Deres gruppe skal presentere løsingen av en tilfeldig valgt oppgave på tavla fredag 26/8

19 19 Teori og praksis Motiver reflektorens form Vis ligning og forklar valgt avstand til fokus Hvor mye lenger rekkevidde er det med reflektor? Koble det til målingen Fra målt antennediagram skal dere si Hvor mye bedre signalstyrke dere får med reflektor enn med bare antennen (bruk forsterking i db) Hvor effektiv er deres reflektor antenne ( ) Hvor stor er halveffekt strålebredde for deres antenne? Koble design valg til resultatene Demonstrer at dere får lignende resultat når dere bruker reflektoren på en WiFi router i forelesningssalen Shootout: o Hvilken antenne som er best just der og da i et virkelig system Samsvar med målingen i antennehallen? PRAKSIS TEORI

20 20 Timeplan for UKE 3X Mandag 14/8 Tirsdag 15/8 Onsdag 16/8 Torsdag 17/8 Fredag 18/8 08:15-09:00 09:15-10:00 Matte 1 S3 10:15-11:00 11:15-12:00 Lunsj 12:15-13:00 Prosjekt intro EL6 13:15-14:00 Prosjekt Koopen 14:15-15:00 Prosjekt Koopen 15:15-16:00 UKE 3X Mandag 21/8 Tirsdag 22/8 Onsdag 23/8 Torsdag 24/8 Fredag 25/8 08:15-09:00 09:15-10:00 10:15-11:00 Matte F1 Matte R1 Matte S2 Prosjekt Koopen 11:15-12:00 Lunsj 12:15-13:00 Prosjekt Koopen Prosjekt Koopen Prosjekt GR. Koopen Present. EL4/EL6 13:15-14:00 Koopen & Prosjekt Koopen Shootout EL6 14:15-15:00 Antennahall Evaluering EL6 15:15-16:00 Koopen = Glassgården mellom E og F bygg