Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden

Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden KHBO, Hobufonds RFSYS Ing. Dieter Degrendele Grad. Jeremy Rayée

1. Doelstelling... 2 2. Testopstellingen + resultaten...2 2.1. Elektromagnetische simulaties... 2 2.1.1. Instraling... 3 2.1.2. Ruis... 3 2.1.3. Vonken... 3 2.1.4. Out of band testen... 7 2.1.5. Besluiten... 7 2.2. Constructieve simulaties... 9 2.2.1. Reflectie... 9 2.2.2. Reflectie in combinatie met electromagnetische storingen...10 2.2.3. Snelheid... 12 2.2.4. Communicatie op grotere afstand... 13 2.2.5. Trillingen... 16 2.2.6. Hoogteverschillen... 16 2.2.7. Duurtesten... 19 3. Literatuurstudie... 20 3.1. Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) vs. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)... 20 3.2. Antennes... 21 3.2.1. Richtingskarakteristiek... 21 3.2.2. Mechanische eigenschappen... 23 3.2.3. Impedantie en VSWR... 23 3.2.4. Gain... 23 3.2.5. Polarisatie... 24 3.2.6. Bandbreedte... 25 3.2.7. Effectieve oppervlakte (A eff ) van een antenne... 25 3.3. Low Power Radio Systems... 25 3.4. Bluetooth... 26 3.4.1. Bespreking protocol... 26 3.4.2. Bluetooth in een industriële omgeving... 27 4. Besluiten... 28 5. Literatuur... 29 WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 1

1. Doelstelling Aan de hand van de geconstrueerde simulaties (elektromagnetische en constructieve simulaties) uit werkpakket WP 2.2 worden enkele RF propagatieparameters onderzocht. Hieruit moeten een aantal besluiten getrokken worden met betrekking tot de mogelijkheden van de aangekochte datacommunicatiessystemen. Hierbij wordt ook geprobeerd om de eigenschappen van de bijhorende technologieën, onder dergelijke industriële omstandigheden, te bepalen. In de literatuur kan hieromtrent veel teruggevonden worden. Deze informatie bepaalt hoofdzakelijk de RF eigenschappen in het verre veld. Het is de bedoeling om aan de hand van deze testen ook de eigenschappen te bepalen in de nabije omgeving. Eveneens worden de mogelijkheden van de verschillende systemen onderling met elkaar vergeleken. 2. Testopstellingen + resultaten In deze paragraaf worden de testresultaten van de verschillende (electromagnetische en constructieve) simulaties weergegeven. De testopstellingen voor de verschillende simulaties worden in werkpakket WP 2.2 weergegeven. Een algemene testopstelling wordt weergegeven in figuur 1. Hierbij wordt de zender (TX) en de ontvanger (RX) op een bepaalde afstand (afhankelijk van de test) geplaatst (antenne tot antenne). Met behulp van de draadloze communicatiesystemen en de seriële interface van 2 PC s wordt een communicatie opgezet. PC 1 TX RX PC 2 Fig. 1: Algemene testopstelling 2.1. Elektromagnetische simulaties Om deze proeven uit te voeren wordt gebruik gemaakt van een stoorantenne (probe). Uit de testresultaten zal moeten blijken wat de invloed is van de datasnelheid en de positie van de stoorbron. Hierbij zal geprobeerd worden om de RF eigenschappen te omschrijven in het nabije veld. De afstand tot het nabije en het verre veld wordt bepaald met volgende uitdrukking: d = λ/(2π), met λ als golflengte. In het gebied op een afstand groter dan d (het verre veld) is het elektrische veld in fase met het magnetische veld (E en H zijn gekoppeld). Dit betekent ook dat de impedantie, Z = E/H, een constante is in dit gebied (voor lucht is Z = 377Ω). Om het stralingspatroon van een antenne te bepalen dienen de metingen uitgevoerd te worden in het verre veld. Het verre veld waarvan hier sprake is heeft een andere betekenis dan het verre veld hierboven beschreven. Om een optimale ontvangst te verkrijgen moet geprobeerd worden om de antenne zo te plaatsen dat de invallende EM-golven in fase zijn in eender welk element van de antenne. Het in fase zijn van de EM-golven kan verstoord worden door het niet goed plaatsen van de antenne (zie fig. 2). Het afstandsverschil tussen een punt op het uiteinde en het midden van de antenne wordt weergegeven met δ. Dit verschil zorgt voor een faseverschuiving (in de tijd) tussen de EM-golven. Naarmate de antenne dichter bij de stoorbron wordt geplaatst, wordt δ groter. Dit heeft tot gevolg dat de faseverschuiving groter wordt en geen optimale ontvangst verkregen wordt. Hieruit wordt ook duidelijk dat de afstand tot het verre veld, waarvan hier sprake is, afhankelijk is van de afmetingen van de antenne. Bij een kleinere dimensie van de antenne zal een kleinere afstand tot de antenne dezelfde δ opleveren. WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 2

met y = afmeting van de antenne x = afstand antenne tot stoorbron stoorbron Fig. 2: Antenne in het verre veld antenne De afstand tot het verre veld, die in dit werkpakket van toepassing is, wordt bepaald door de eerste beschrijving (d = λ/2π). Uit de formule blijkt dat de afstand tot het verre veld afhankelijk is van de frequentie daar λ omgekeerd evenredig is met de frequentie en wel als volgt: λ = f c [m] met c = snelheid van het licht, 300.000.000 m/s f = frequentie [Hz] Voor de aangekochte systemen worden de golflengtes en de afstanden tot het verre veld, horende bij de verschillende frequentiebanden, in tabelvorm weergegeven: Frequentie [MHz] Golflengte [mm] Halve golflengte [mm] Afst. verre veld [mm] 433 693 347 110 900 333 167 53 1900 158 79 25 2400 125 63 20 De afstand van de stoorantenne tot de antenne van het datacommunicatiesysteem wordt bepaald rekeninghoudende met de afstand tot het verre veld (weergegeven in tabel hierboven). 2.1.1. Instraling De 5 aangekochte systemen worden getest volgens de testgegevens weergegeven in werkpakket WP 2.2 (paragraaf 3.1). De resultaten worden weergegeven in tabel 1. 2.1.2. Ruis De 5 aangekochte systemen worden getest volgens de testgegevens weergegeven in werkpakket WP 2.2 (paragraaf 3.1). De resultaten worden weergegeven in tabel 2. 2.1.3. Vonken De 5 aangekochte systemen worden getest volgens de testgegevens weergegeven in werkpakket WP 2.2 (paragraaf 3.2). De resultaten worden weergegeven in tabel 3. WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 3

Systeem Afst. Snelheid Stoorniveau Afgeschermd Afst. Snelheid Stoorniveau Afgeschermd Afst. Snelheid Stoorniveau Afgeschermd (mm) (Baud) (dbm) (mm) (Baud) (dbm) (mm) (Baud) (dbm) 0 2400 12,5* / 300 2400 12,5* / 600 2400 12,5* / Siemens Gigaset 0 9600 12,5* / * 300 9600 12,5* / 600 9600 12,5* / 0 57600 12,5* / 300 57600 12,5* / 600 57600 12,5* / 0 2400-2,2 0,8 300 2400-8,2-9,2 600 2400-7,2-8,2 Silver Data Stream 0 9600 2,8 0,8 300 9600-8,2-7,2 600 9600-5,2-10,2 0 19200-0,2-0,2 300 19200-9,2-5,2 600 19200-3,2-7,2 BiM Evaluation kit 0 2400-2,75 / 300 2400-0,75 / 600 2400 5,25 / 0 9600-2,75 / 300 9600-0,25 / 600 9600 5,25 / Bluetooth Tr. & Appl. Kit 0 / 10,8* / 300 / 10,8* / 600 / 10,8* / 0 2400 / / 300 2400 / / 600 2400 / / MicroHopper 900 0 9600 / / 300 9600 / / 600 9600 / / 0 19200 / / 300 19200 / / 600 19200 / / Opmerkingen : 1. (*) : Bij dit stoorniveau zijn geen storingen opgetreden. Dit is het maximale vermogen dat, volgens de gebruikte apparatuur, kon ingesteld worden. (**) : Testen uitgevoerd in frequentiegebied tot 600 MHz. Bij het vermelde stoorniveau is geen informatiestoring opgetreden. 2. Bij het gebruik van de MicroHopper 900 treden informatiestoringen op zonder een externe stoorbron te plaatsen. Hierdoor kunnen geen representatieve metingen uitgevoerd worden. 3. Bij de Bluetooth Training & Application Toolkit kan de datasnelheid niet naar keuze ingesteld worden. Tabel 1: Testresultaten instraling WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 5

Systeem Afst. Snelheid Stoorniveau Afgeschermd Afst. Snelheid Stoorniveau Afgeschermd Afst. Snelheid Stoorniveau Afgeschermd (mm) (Baud) (dbm) (mm) (Baud) (dbm) (mm) (Baud) (dbm) 0 2400 12,5* / 300 2400 12,5* / 600 2400 12,5* / Siemens Gigaset 0 9600 12,5* / 300 9600 12,5* / 600 9600 12,5* / 0 57600 12,5* / 300 57600 12,5* / 600 57600 12,5* / 0 2400-3,2 0,8 300 2400-9,2-9,2 600 2400-4,2-8,2 Silver Data Stream 0 9600 1,8-3,2 300 9600-7,2-4,2 600 9600-5,2-11,2 0 19200-0,2-0,2 300 19200-10,2-4,2 600 19200-4,2-6,2 BiM Evaluation kit 0 2400-10,75 / 300 2400-0.75 / 600 2400-2.75 / 0 9600-11,75 / 300 9600-0.75 / 600 9600-1.75 / Bluetooth Tr. & Appl. Kit 0 / 10,8* / 300 / 10,8* / 600 / 10,8* / 0 2400 / / 300 2400 / / 600 2400 / / MicroHopper 900 0 9600 / / 300 9600 / / 600 9600 / / 0 19200 / / 300 19200 / / 600 19200 / / Opmerkingen : 1. (*) : Bij dit stoorniveau zijn geen storingen opgetreden. Dit is het maximale vermogen dat, volgens de gebruikte apparatuur, kon ingesteld worden. 2. Bij het gebruik van de MicroHopper 900 treden informatiestoringen op zonder een externe stoorbron te plaatsen. Hierdoor kunnen geen representatieve metingen uitgevoerd worden. 3. Bij de Bluetooth Training & Application Toolkit kan de datasnelheid niet naar keuze ingesteld worden. Tabel 2: Testresultaten ruis WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 6

Systeem Afst. Lading Resultaat (mm) (kv) Siemens Gigaset 150 20 niet gestoord Silver Data Stream 150 20 niet gestoord BiM Evaluation kit 150 20 niet gestoord Bluetooth Tr. & Appl. Kit 150 20 niet gestoord MicroHopper 900 150 20 niet gestoord Tabel 3: Testresultaten vonken 2.1.4. Out of band testen Voorgaande testen worden uitgevoerd in het frequentiegebied overeenkomstig met de frequentieband van het te testen systeem. In vorig werkpakket WP 1.2 worden verschillende industriële omgevingen gedefinieerd (frequentiegebied en vermogen). Tot een frequentie van ongeveer 600 MHz komen nog noemenswaardige stoorsignalen voor. In dit frequentiegebied kunnen frequenties voorkomen die een harmonische vormen van de operationele zendfrequentie van de communicatiesystemen. Deze harmonische frequentie kan eveneens het betreffende systeem storen. Om de invloed van eventuele harmonische frequenties na te gaan, worden de instralingstesten uit 2.1.1. nogmaals herhaald. De testen worden uitgevoerd in het frequentiegebied tot 1000 MHz (in stappen van 20 MHz) en met een stralingsniveau overeenkomstig met de betreffende Europese Normen (EN 61000-4-3 en EN 50082-2) namelijk 10 V/m voor een industriële omgeving. De testen worden uitgevoerd in een kooi van Faraday om alle mogelijke externe stoorsignalen te vermijden. De te testen systemen worden ingesteld met een datasnelheid van 9600 Baud. De resultaten worden hieronder in tabelvorm weergegeven. Systeem BER (%) Opmerkingen Bluetooth Tr. & Appl. Toolkit 0 Siemens Gigaset M101 Data 0 Silver Data Stream 0 Bij 160 MHz stopt de communicatie BiM Evaluation kit / Vanaf 880 MHz treden geen communicatiefouten op Micro Hopper 900 0 In het frequentiegebied 40 tem. 110 MHz comm.fout In het frequentiegebied 300 tem. 320 MHz comm.fout Bij de BiM Evaluation kit treden praktisch over het ganse geteste frequentiegebied storingen op. De oorzaak dient waarschijnlijk gezocht te worden bij de interface PCB (RS-232). De PCB werd vervaardigd in het labo maar niet volledig volgens de regels van de kunst daar dit te veel tijd in beslag zou nemen. Verder lijkt de Micro Hopper 900 het meest gevoelig voor storingen. Dit betekent echter niet dat de gestoorde systemen niet geschikt zijn onder deze omstandigheden. Storingen kunnen ook veroorzaakt worden door koppeling op kabels. Bij het gebruik van deze systemen zal extra aandacht gevestigd moeten worden aan de opstelling. 2.1.5. Besluiten 1. Bij het testen van de communicatiesystemen in aanwezigheid van vonken zijn geen informatiestoringen opgetreden. Het spectrum van een lasmachine (zie werkpakket WP 1.3) vertoont noemenswaardige storingen tot een frequentie van ongeveer 50 MHz en met een maximaal niveau van 60 dbm. De simulatie over- WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 7

schrijdt zowel het frequentiegebied en het uitgestraald vermogenniveau. Hieruit kan besloten worden dat de communicatiesystemen een goede werking zullen hebben in aanwezigheid van lasmachines. 2. De resultaten van de instralingstesten en de testen in aanwezigheid van ruis wijzen niet altijd éénduidig in dezelfde richting. Hiermee wordt bedoeld dat de resultaten in functie van de datasnelheid geen onderling verband vertonen. Hieruit wordt besloten dat de invloed van de datasnelheid nihil is. 3. De elektromagnetische simulaties zijn telkens specifiek uitgevoerd in het frequentiegebied van het communicatiesysteem. In werkpakket WP 1.3 worden een aantal industriële omgevingen gedefinieerd. De noemenswaardige storingen komen vooral voor in het frequentiegebied tot 600 MHz. Om de invloed van de lagere stoorfrequenties na te gaan worden de instralingstesten en de testen in aanwezigheid van ruis gedeeltelijk hernomen (out of band testen). Deze testen vertonen informatiestoringen. De informatiestoringen zijn echter waarschijnlijk te wijten aan storingen op de PCB s zelf. 4. De invloed van een stoorsignaal neemt af naarmate de stoorbron zich verder van de ontvanger bevindt. Uit de testresultaten is gebleken dat dit niet altijd kan aangenomen worden. Bij de Silver Data Stream modules en de BiM Evaluation kit blijkt dat op een grotere afstand minder vermogen nodig is om de informatie te storen. Dit wordt verklaard door de koppelingskarakteristieken van de gebruikte antennes. Hierover wordt in paragraaf 3.2.1. verder uitgewijd. 5. Het communicatiesysteem werkend in de 900 MHz frequentieband (Micro Hopper 900) vertoont reeds slechte informatieoverdracht in afwezigheid van een externe stoorbron. Om dit te verklaren worden een 3-tal spectrummetingen uitgevoerd. Deze worden weergegeven in Fig. 3. Spectrum zonder Micro Hopper 900 Spectrum met Micro Hopper 900 Fig. 3: Spectrummeting Micro Hopper 900 + GSM Spectrum zonder Micro Hopper 900 en met GSM Uit deze spectrummetingen kan afgeleid worden in welk frequentiegebied en met welk vermogen de Micro Hopper 900 actief is. Uit de derde meting blijkt dat stoorsignalen (afkomstig van GSM) in dit frequentiegebied aanwezig zijn en met een groter vermogen. Dit heeft tot gevolg dat de stoorsignalen in staat zijn om de over te dragen informatie (mbv. de Micro Hopper 900) te storen. Hieruit wordt duidelijk dat een communica- WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 8

tiesysteem werkend in de 900 MHz frequentieband geen goede resultaten levert. In een omgeving waar geen GSM signalen aanwezig zijn (afgeschermde omgeving) kan deze echter wel een meerefficiënte werking hebben. 2.2. Constructieve simulaties Met behulp van het generieke test- en meetsysteem zullen een aantal typische constructieve industriële omgevingen gesimuleerd worden. Uit deze resultaten moet blijken welke invloeden deze hebben op de communicatie. 2.2.1. Reflectie Om de invloed van reflecties na te gaan wordt de testopstelling uit figuur 4 gebruikt. De testen worden uitgevoerd in de slechtste situatie (worst case). De zender en de ontvanger van elk datacommunicatiesysteem worden op een afstand 2500 mm van elkaar geplaatst en worden beiden afgeschermd door messing platen (als in fig. 4). Indien uit de resultaten blijkt dat deze simulatie invloed heeft op de communicatie zal de hoeveelheid messing platen systematisch verminderd worden. Afscherming in messing TX RX 2500 mm Afscherming in messing Fig. 4 : Testopstelling reflectie WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 9

De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem Datasnelheid Testlengte # testen BER (%) Opmerkingen Bluetooth Tr. & Appl. Toolkit / 9 20 0 (1) Siemens Gigaset M101 Data 2400 7 7 0 9600 7 7 0 57600 7 7 0 Silver Data Stream 2400 7 7 0 9600 7 7 0 57600 7 7 0 BiM Evaluation kit 2400 7 20 0 9600 7 20 0 Micro Hopper 900 2400 5 20 0 9600 5 20 0 19200 5 20 0 Opmerkingen : (1) = Bij het opzetten van de communicatie tussen de 2 Bluetooth modules zijn moeilijkheden opgetreden. Tijdens het opzetten van de communicatie bleek dat de modules elkaar niet "vonden" en bijgevolg geen RF connectie kon gemaakt worden. Uit de testresultaten blijkt dat de aanwezigheid van reflecties weinig of geen invloed heeft op de informatieoverdracht. Enkel bij het opzetten van de Bluetooth communicatie zijn problemen opgetreden. Bij het opzetten van de communicatie, met de hiervoor beschreven testopstelling, konden de modules elkaar niet vinden. Om de communicatie op te zetten worden de deksels (messing) van beide afschermingen (zender en ontvanger) verwijderd. Dit bleek voldoende om de communicatie te voltooien. Bij het vervolgen van de testen, waarbij de messing deksels terug gemonteerd worden, zijn geen informatiestoringen opgetreden. Dit wordt mogelijk gemaakt doordat een groter vermogen uitgezonden wordt nadat beide modules met elkaar geconnecteerd zijn (eigenschap van het Bluetooth protocol). Gedurende de testen worden zender en ontvanger volledig afgeschermd door messing platen. De platen worden op de tafel gemonteerd met boutverbindingen. Deze platen sluiten niet volledig tegen elkaar aan (luchtspleten). Blijkbaar is de aanwezigheid van luchtspleten voldoende om de communicatie tussen zender en ontvanger mogelijk te maken. Indien een volledig dichte omgeving gevormd wordt, omheen zender en ontvanger, kan geen enkele vorm van communicatie mogelijk zijn. Algemeen kan gesteld worden dat luchtspleetlekken ontstaan als de luchtspleetgrootte tenminste een halve golflengte bedraagt. Om luchtspleetlekken te vermijden kunnen meerdere bevestigingsbouten (op een kleinere afstand van elkaar) gebruikt worden of gaskets. Een gasket zorgt voor een goed geleidende verbinding tussen materialen. 2.2.2. Reflectie in combinatie met electromagnetische storingen In vorige paragrafen wordt de invloed van electromagnetische straling en de aanwezigheid van metaal onderzocht. In de praktijk komen beide factoren meestal gecombineerd voor. Om de invloed hiervan na te gaan wordt de testopstelling uit figuur 5 gebruikt. WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 10

Fig. 5 : Testopstelling reflectie in combinatie met EM straling De communicatiesystemen worden op 2500 mm van elkaar geplaatst. Er worden messing platen over de ganse lengte van de testtafel gemonteerd (links, rechts en bovenaan). De uiteinden van de testtafel worden ook afgesloten met messing platen zodat een volledig gesloten messing box verkregen wordt. Deze platen worden voorzien van connectoren om de voedings- en datakabels naar binnen te voeren. De connectoren worden voorzien van doorvoercapaciteiten om hoogfrequentstoringen via de kabels te vermjden. De informatieoverdracht van de verschillende systemen wordt eerst getest in afwezigheid van EM straling. Deze situatie wordt als referentie gebruikt om de invloed van EM straling in aanwezigheid van metaal na te gaan. Na de referentie opgenomen te hebben wordt ingestraald op de modules volgens de testopstellingen uit paragraaf 2.1.1. De resultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem Datasnelheid Stoorniveau Afstand stoorbron - RX BER (Baud) (dbm) (mm) (%) Bluetooth Tr. & Appl. Toolkit / 10,8* 300 0 Siemens Gigaset M101 Data 2400 12,5* 300 0 9600 12,5* 300 0 57600 12,5* 300 0 Silver Data Stream 2400-15,2 300 0 9600-15,2 300 0 57600-16,2 300 0 BiM Evaluation kit 2400-11,75 300 0 9600-10,75 300 0 Micro Hopper 900 2400 9,2* 300 0 9600 9,2* 300 0 19200 9,2* 300 0 Opmerkingen : Bij het opzetten van de communicatie tussen de 2 Bluetooth modules zijn moeilijkheden opgetreden. Hierbij beek dat de modules elkaar niet "vonden" en bijgevolg geen RF connectie kon gemaakt worden. Om de RF connectie toch te voltooien dienden de messing deksels verwijderd te worden. De testen worden vervolgd in aanwezigheid van de deksels. (*) = maximaal in te stellen stoorniveau waarbij geen informatiestoring opgetreden is WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 11

Uit de testresultaten blijkt dat het gedrag van de communicatieystemen ongeveer hetzelfde is als bij de vorige storende omgevingen ( electromagnetische en constructieve industriële omgevingen). Hierbij moet wel opgemerkt worden dat het electromagnetisch stoorniveau hoger ligt dan het overeenkomstig stoorniveau uit paragraaf 2.1.1. In deze testomgeving wordt een andere constructieve opstelling gehanteerd. De rechthoekig gesloten box kan gezien worden als een golfpijp waardoor de electromagnetische golven in eenzelfde richting (naar de ontvanger toe) zich voortplanten. In een open ruimte (cfr. paragraaf 2.1.1.) plant slechts een gedeelte van de electromagnetische golven zich voort in de richting van de ontvanger. Het overige gedeelte wordt geabsorbeerd door de semi-anechoïsche ruimte. Hierdoor wordt het storend vermogen gereduceerd. Er is sprake van een golfpijp wanneer de kleinste afmeting van de structuur groter is dan een halve golflengte. 2.2.3. Snelheid Een industriële machine wordt vaak opgebouwd uit bewegende delen (roterend of rechtlijnig). In deze paragraaf wordt nagegaan wat de invloed is van bewegende delen op de communicatie. De testomgeving wordt weergegeven in figuur 6. Afscherming in messing Fig. 6 : Testopstelling snelheid De zendende module wordt op een bewegende tafel geplaatst. De tafel is verbonden met een heen en weer bewegende slede waarvan de snelheid regelbaar is. De ontvangende module wordt aan de andere kant van de tafel geplaatst. Bij deze testopstelling worden ook messing platen gemonteerd over de ganse lengte van de tafel (links, rechts en bovenaan). De uiteinden worden niet afgesloten met messing platen om de heen- en weergaande beweging van de kabels te vereenvoudigen. De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem Datasnelheid Snelheid Resultaat (Baud) (m/s) BiM Evaluation kit 9600 0,888 constant foutmelding 9600 0,518 constant foutmelding 9600 0 OK Bluetooth Training & Appl. Kit / 0 OK / 0,518 OK / 0,888 OK Siemens Gigaset M101 Data 9600 0 OK 9600 0,962 OK 9600 1,11 OK MicroHopper 900 19200 0 OK 19200 0,937 OK Silver Data Stream 9600 0 OK 9600 0,937 OK De testen worden uitgevoerd bij verschillende bewegingssnelheid en datasnelheid. Uit de resultaten blijkt dat RF communicatie op bewegende onderdelen een goed resultaat oplevert. Enkel bij het systeem werkend in de 433 MHz frequentieband zijn problemen opgetreden. Om na te gaan of de informatiestoringen afkomstig zijn van de snelheidsfactor en niet van trillingen, wordt de zendende module op een triltafel geplaatst. Onder deze voorwaarde worden informatiefouten waargenomen. Hieruit kan besloten worden dat de storingen waarschijnlijk afkomstig zijn van trillingen. WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 12

2.2.4. Communicatie op grotere afstand Alle voorgaande testen worden uitgevoerd waarbij zender en ontvanger op een relatief korte afstand (2500 mm) van elkaar worden geplaatst. Vaak dient datacommunicatie op een grotere afstand plaats te vinden. De signaalsterkte vermindert echter in functie van de te overbruggen afstand. Theoretisch wordt het verlies bepaald door volgende formule: Path Loss (db) = 20 log 10 (4πr/λ) met r = te overbruggen afstand (m) λ = golflengte (m) Uit de formule is af te leiden dat het afstandsverlies afhankelijk is van de frequentie. Hoe groter de operationele frequentie, des te groter het afstandsverlies wordt. In onderstaande grafiek worden de afstandsverliezen weergegeven rekening houdende met de operationele frequenties van de aangekochte systemen en de afstand tijdens de testen. Path Loss ifv. afstand 120 100 Path Loss (db) 80 60 40 20 0 1 10 100 1000 10000 Afstand (m) 433 MHz 915 MHz 1890 MHz 2450 MHz Dit zijn theoretische waarden. In de praktijk dient nog rekening gehouden te worden met externe factoren zoals reflecties of dempende voorwerpen. Verder wordt de operationele afstand nog bepaald door het uitgezonden vermogen en hindernissen in de propagatieweg. Om het gedrag van de communicatiesystemen op grotere afstand na te gaan worden de modules op volgende afstanden geplaatst: 5m, 10m, 20m, 40m en 60m. De testen worden uitgevoerd in een lange gang in een gebouw (zie fig. 7). Hierbij zal eveneens nagegaan worden wat de invloed is van een houten klapdeur in de propagatieweg (zie fig. 7). TX Klapdeur 1 gang Klapdeur 2 RX Fig. 7 : Testen op grotere afstand WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 13

Fig. 7 : Testen op grotere afstand De testen worden enerzijds uitgevoerd met open klapdeuren. Hierdoor kan de invloed van een grotere afstand bepaald worden. Anderzijds worden klapdeur 1 en 2 gesloten om de demping, afkomstig van deze deuren, te bepalen. De testen worden uitgevoerd bij een datasnelheid van 9600 Baud. De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem Afstand Hindernis BER Opmerkingen (m) (%) Bluetooth Training & Application Kit 5 line of sight 0 60 line of sight 0 5 deur 1 0 40 deur 1 0 (*) 60 deur 1 0 (*) 60 deur 1 & 2 0 (*) BiM Evaluation Kit 5 line of sight 0 40 line of sight 0 60 line of sight 7,54 10 deur 1 0 20 deur 1 0,94 40 deur 1 1,4 60 deur 1 22,5 Micro Hopper 900 5 line of sight 0 60 deur 1 & 2 0 Silver Data Stream 5 line of sight 0 60 deur 1 & 2 0 Siemens Gigaset M101 Data 5 line of sight 0 60 deur 1 & 2 0 Opmerkingen: (*) Problemen bij het opzetten van de communicatielink Uit de testresultaten blijkt dat enkel de BiM Evaluation kit fouten vertoond op grotere afstand. De Bluetooth Training and Application Toolkit vertoond soms problemen bij het opzetten van de communicatielink tussen de 2 modules. Eénmaal de communicatielink gemaakt wordt, treden geen communicatiefouten op. Volgens de technische specificaties van de verschillende modules wordt vaak een operationele afstand opgegeven. Uit de testen blijkt dat soms een veel grotere afstand kan overbrugd worden. De opgegeven waarde is een gegarandeerde waarde en geen limiet. Er dient ook altijd rekening gehouden te worden met de omgeving waarin de propagatie plaatsvindt (reflecties). In bepaalde gevallen kan dit de communicatie ten goede komen. De afstandsverliezen kunnen gereduceerd worden door in te spelen op een aantal factoren zoals het zendvermogen verhogen, de gain van het systeem verbeteren, de operationele frequentie verlagen of de gevoeligheid van de WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 14

ontvanger verhogen. Het aanpassen van deze parameters garandeert een kleiner verlies. Indien het systeem in gebouwen gebruikt wordt, dient verder rekening gehouden te worden met het dempend effect van andere obstakels zoals muren, deuren, reflecterende voorwerpen,. Deze obstakels hebben echter niet altijd een dempend effect en kunnen de communicatie ten goede komen. Zo kunnen reflecties de signaalsterkte verhogen. Om dit te verduidelijken wordt een tweede reeks testen uitgevoerd. Dezelfde opstelling wordt behouden maar de draadloze communicatiesystemen worden vervangen door 2 logperiodische antennes. De antennes worden op een afstand van 60m geplaatst. Aan de zendantenne wordt een signaal uitgestuurd met een frequentie overeenkomstig met de operationele frequenties van de verschillende systemen. Aan de ontvangstantenne wordt het ontvangen vermogen, met behulp van een spectrumanalyzer, opgemeten. Op deze manier kan het effect van een grotere afstand en een deur gekwantiseerd worden. De metingen worden uitgevoerd in een open ruimte (parking) en in de gang, al of niet met de deuren dicht. Bij deze testen worden de antennes line of sight geplaatst. Verder wordt ook een test uitgevoerd waarbij de antennes niet in elkaars zichtveld staan. De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Opstelling Path Loss (db) 433 MHz 915 MHz 1,89 GHz 2,45 GHz 1. Antennes op 60m van elkaar 27,73 25,83 29,13 26,05 2. Antennes op 60m van elkaar, deur 1 toe 29,89 29,14 33,46 32,55 3. Antennes op 60m van elkaar, deur 1 en 2 toe 27,89 29,4 35,9 35,02 4. Antennes op 60m van elkaar, deur 1 en 2 toe, om de hoek 52,84 53,97 51,66 52,6 5. Antennes op 60m van elkaar in open ruimte 38,19 38,01 37,17 34,03 Ontvangen vermogen (dbm) 6. Antennes op 60m van elkaar (90 ), deur 1 en 2 toe, om de hoek -42,2-46,03-59,63-57,84 7. Antennes op 60m van elkaar (in lijn), deur 1 en 2 toe, om de hoek -58,7-49,32-62,17-64,58 8. Antennes op 60m van elkaar(90 ), deur 1 en 2 toe, om de hoek, met plaat -29,15-30,55-31,37-35,52 Uit de testresultaten blijkt dat een groter verlies, ongeveer 10dB, optreedt in een open ruimte (parking) ten opzichte van een gesloten omgeving (gang) (vergelijk test 1 tov. 5). De gang kan immers beschouwd worden als een golfpijp. In een golfpijp wordt het signaal in heel wat richtingen gereflecteerd waardoor een signaalversterking kan optreden. Reflecties kunnen afkomstig zijn van metalen kleerkasten, kabelgoten, muren,. De deuren zijn vervaardigd uit hout en voorzien van een venster. Beide materialen zijn geen goede geleiders en zullen weinig demping tot gevolg hebben. Dit kan ook besloten worden uit de testen, ongeveer 4dB (vergelijk test 1, 2 en 3). In een derde test wordt de zendantenne uit het zichtveld van de ontvangstantenne gehaald. De zendantenne wordt eveneens op 60m geplaatst maar om de hoek (positie TX in fig. 8). Het niet meer in line of sight staan van de antennes levert een verzwakking op van ongeveer 20dB (vergelijk test 3 en 4). Om dit verlies te reduceren kan gebruik gemaakt worden van een reflector. Als reflector wordt gebruik gemaakt van een messing plaat. De plaat wordt onder een hoek van 45 geplaatst in het deurgat (zie fig. 8). messing plaat Klapdeur 1 gang Klapdeur 2 RX TX Werkplaats onderhoud Figuur 8 : Messing plaat in propagatieweg WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 15

Bij het vergelijken van test 6 en 8 wordt duidelijk dat de messing plaat, afhankelijk van de frequentie, een vermogenverhoging oplevert van ongeveer 20dB. Op deze manier wordt nogmaals duidelijk gemaakt dat reflecties niet noodzakelijk een negatieve invloed hebben op het propagatiegebeuren. Bij test 6 en 8 staan de antennes 90 ten opzichte van elkaar verschoven (antennerichting). Aangezien de antennes directioneel zijn, komt dit de vermogenoverdracht niet ten goede. Daarom wordt de test herhaald met de antennes in lijn (test 7). Uit deze test blijkt dat met de antennes in lijn te plaatsen een nog groter verlies optreedt. Dit heeft te maken met de omgevingstoestand van de werkplaats. In de werkplaats bevinden zich heel wat hindernissen (platen, machines, ) die de propagatie bemoeilijken. De theoretische benadering van de path loss komt niet overeen met de opgemeten path loss. Ook hier dient de oorzaak gezocht te worden bij de reflecties. Het zal altijd moeilijk zijn om de path loss in een industriële omgeving theoretisch te benaderen. Indien de path loss toch dient gedefinieerd te worden, zullen metingen (zoals hierboven beschreven) moeten uitgevoerd worden. 2.2.5. Trillingen Het gebruik van draadloze communicatiesystemen in industriële omgevingen heeft tot gevolg dat de systemen vaak moeten bestand zijn tegen trillingen. Dit betekent zowel op zuiver mechanisch vlak als op electromagnetisch vlak. De zender wordt op een triltafel gemonteerd en de ontvanger wordt op een statief gemonteerd. De opgewekte trilling wordt gedefinieerd met behulp van een accelerometer en wordt uitgedrukt in g. Zender en ontvanger worden op 2500 mm van elkaar geplaatst (antenne tot antenne). De resultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem Datasnelheid Trilling BER (%) Opmerkingen (Baud) (g) Bluetooth Tr. & Appl. Toolkit / 4,8 0 Siemens Gigaset M101 Data 9600 3,47 0 Silver Data Stream 9600 3,57 0 BiM Evaluation kit 9600 0,25 / Constant foutmelding Micro Hopper 900 9600 2,97 0 Uit de testresultaten blijkt dat enkel de BiM Evaluation kit informatiestoringen vertoond onder de hierboven beschreven omstandigheden. Het is moeilijk te achterhalen wat de mogelijke oorzaak is van de storingen. De storingen kunnen veroorzaakt worden door de mechanische belasting of door trillingsinvloeden (bv. bewegen van de antenne) op de electromagnetische eigenschappen van de module. De andere systemen vertonen geen storingen onder de beschreven omstandigheden. De trillingen waaraan de modules werden blootgesteld zijn bewust beperkt gebleven om de modules te sparen op vlak van mechanische belasting. Deze beperking werd ingevoerd na het ontdekken van mechanische schade aangericht aan de Micro Hopper 900 module. 2.2.6. Hoogteverschillen In de praktijk komt het vaak voor dat zender en ontvanger niet op dezelfde hoogte kunnen geplaatst worden. Hierbij zal de richtingskarakteristiek (directioneel of omni-directioneel) van de antenne een belangrijke rol spelen. WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 16

RX a b θ TX Φ 1 Φ 2 Φ 1 = Φ 2 θ = Bgtan (a/b) Figuur 9 : Hoogteverschil TX en RX Om het gedrag van de systemen na te gaan bij hoogteverschillen wordt de testopstelling uit figuur 10 gebruikt. Hierbij wordt de ontvanger op een mast gemonteerd en de zender wordt op de grond geplaatst. De testen worden uitgevoerd met een datasnelheid van 9600 Baud en onder verschillende hoeken (θ). RX plafond Fig. 10 : Testopstelling hoogteverschil TX De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Systeem a b Hoek BER Opmerkingen (m) (m) ( ) (%) Bluetooth Tr. & Appl. Kit 0 6 90 0 3 6 63,43682 0 Zender en ontvanger gescheiden door plafond. (*) 6 6 45,00133 0 BiM Evaluation Kit 0 6 90 0 3 6 63,43682 0 Zender en ontvanger gescheiden door plafond 6 6 45,00133 0 Micro Hopper 900 0 6 90 0 3 6 63,43682 0,031 Zender en ontvanger gescheiden door plafond 6 6 45,00133 0 Silver Data Stream 0 6 90 0 3 6 63,43682 0 Zender en ontvanger gescheiden door plafond 6 6 45,00133 0 Siemens Gigaset M101 0 6 90 0 3 6 63,43682 0 Zender en ontvanger gescheiden door plafond 6 6 45,00133 0 Opmerkingen : (*) Bij de Bluetooth modules treden problemen op bij het opzetten van de communicatielink tussen de modules. WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 17

Uit de testresultaten blijkt dat datacommunicatie goed mogelijk blijft bij een hoogteverschil tussen zender en ontvanger. Wederom treden moeilijkheden op bij het opzetten van de communicatielink tussen de Bluetooth modules. Ook bij het systeem werkend in de 900 MHz frequentieband treden fouten op. Deze informatiestoring is waarschijnlijk te wijten aan GSM straling aangezien de fout maar sporadisch optreedt. Voorgaande testen worden uitgevoerd bij een klein hoogteverschil (ongeveer 6m). De testen worden nogmaals herhaald bij een groter hoogteverschil. De zender wordt 5 verdiepingen hoger geplaatst ten opzichte van de ontvanger. Zender en ontvanger worden buiten het gebouw geplaatst en in elkaars zichtveld. Na deze testen uitgevoerd te hebben worden de testen herhaald in het gebouw (traphal) (zie fig. 11). De testresultaten worden in onderstaande tabel weergegeven. Bij de testen in het gebouw (traphal) dient opgemerkt te worden dat de modules in de nabije omgeving van de lift geplaatst worden. De lift kan hierbij functioneren als geleider voor de RF propagatie. Hoogtemeting open ruimte Hoogtemeting traphal Fig. 11 : Hoogtemeting in open ruimte en in een gebouw Systeem Verdiepingen BER (%) BiM Evaluation Kit (433 MHz) 0 tot 5 (open ruimte) 0 1 tot 3 verdiep (traphal) 0 1 tot 4 verdiep (traphal) 152,1 Micro Hopper 900 (900 MHz) 0 tot 5 (open ruimte) 0-1 tot 3 verdiep (open ruimte) 0-1 tot 4 verdiep (open ruimte) comm. verbroken Siemens Gigaset M101 (1,89 GHz) 0 tot 5 (open ruimte) 0-1 tot 5 verdiep (open ruimte) 0 Silver Data Stream (2,45 GHz) 0 tot 5 (open ruimte) 0 1 tot 3 verdiep (traphal) 0 1 tot 4 verdiep (traphal) comm. verbroken Bluetooth Tr. & Appl. Kit (2,45 GHz) 0 tot 5 (open ruimte) 0 1 tot 2 verdiep (traphal) 0 1 tot 3 verdiep (traphal) gn connectie mogelijk In open ruimte leveren de 5 geteste systemen een goede communicatie. In een gesloten ruimte (traphal) is dit echter niet het geval. De prestaties van de verschillende systemen verschillen nogal van elkaar. Een aantal systemen (BiM en Bluetooth) kunnen slechts een verdieping overbruggen. Met de Siemens Gigaset M101 Data kan het ganse gebouw overbrugd worden. Het verschil in prestaties is te wijten aan een aantal factoren: antenne efficiëntie, uitgezonden vermogen, ontvangstgevoeligheid,. WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 18

2.2.7. Duurtesten Alle voorgaande testen zijn uitgevoerd in een relatief korte tijdsduur (± 15 min). Om de systemen onderling te vergelijken wordt gebruik gemaakt van testen over een langere tijdsduur (± 8 u). De testopstelling wordt weergegeven in figuur 12. De testopstelling is een combinatie van de voorgaande testen. De factoren snelheid, trillingen, reflecties en stralingen komen in de testopstelling aan bod. De testopstelling moet een reële industriële omgeving simuleren. stoorantenne RX afscherming in messing TX triltafel meettafel slede a b Fig. 12 : Testopstelling combinatie snelheid, reflecties, trillingen en straling De testen worden uitgevoerd op alle systemen met uitzondering van de BiM Evaluation kit. De BiM Evaluation kit wordt niet getest omdat deze bij de minste beweging (triling of snelheid) reeds fouten geeft. De stooromstandigheden worden hieronder weergegeven. - Trilling : 2.28g - Afscherming in messing : 1500 x 510 x 470 mm - Snelheid : 0.88 m/s - Antennetype : Bilog - Positie stoorantenne : a = 800mm / b = 1800mm of 1200mm (afhankelijk van de stand van de slede) - Generatorniveau : 13 dbm - Frequentie sweep : 1 MHz 2 GHz / step = 1 MHz / dwelltime = 500 ms - Testlengte : 6 - Datasnelheid : 9600 Baud - Aantal testen : 1600 testtijd 8u Het EM spectrum gemeten in de kooi bij ingeschakelde slede en triltafel wordt weergegeven in figuur 13. Spectrum 14.Oct 02 17:25 Ref 0 dbm Att 30 db 0 RBW 3 MHz VBW 10 MHz SWT 5 ms -10 A 1 PK MAXH -20-30 -40 PRN Fig. 13 : Spectrum kooi, triltafel en slede in werking EXREF -50-60 EXT -70-80 -90-100 Start 0 Hz 100 MHz/ Stop 1 GHz Date: 14.OCT.2002 17:25:45 WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 19

De testresultaten worden hieronder weergegeven. Systeem BER (%) Opmerkingen Bluetooth Training & Appl. Kit 0 Veelvuldig onderbreken van de communicatie Siemens Gigaset M101 Data 0 Silver Data Stream 0 MicroHopper 900 0.72 Enkel het 900 MHz systeem heeft informatiestoringen vertoond. Bij het Bluetooth systeem werd meermaals de communicatie onderbroken. Dit heeft met softwareproblemen te maken (in overleg met de leverancier). 3. Literatuurstudie In deze paragraaf worden hoogfrequent technieken besproken die de keuze van een datacommunicatiesysteem kunnen beïnvloeden. Deze beschrijvingen zijn het resultaat van een literatuurstudie. 3.1.Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) vs. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) In deze paragraaf worden een aantal fundamentele verschillen gegeven tussen FHSS en DSSS. Deze verschillen kunnen bepalend zijn voor de keuze van een communicatiesysteem. FHSS FHSS maakt gebruik van verschillende frequenties in een frequentieband (79 in de 2.45 GHz band). DSSS DSSS maakt gebruik van verschillende frequenties in een frequentieband maar in beperkte mate (3 in de 2.45 GHz band). Bij FHSS worden meer kanalen gebruikt dan bij DSSS. Bijgevolg kunnen meer netwerken opgesteld worden bij een FHSS systeem zonder gevaar van interferentie. Dit betekent dat een FHSS systeem geschikt is voor het gebruik in een ruimte met hoge gebruikersdichtheid. Een DSSS systeem is daarentegen meer geschikt voor het gebruik in ruimtes waarvan de gebruikersdichtheid laag is. In FHSS wordt GFSK modulatie toegepast. In DSSS wordt BPSK toegepast. Afhankelijk van de modulatie wordt een specifieke versterker vereist (klasse A, B of C). BPSK modulatie bezit fase en amplitude informatie. GFSK bezit enkel frequentie informatie. Bij amplitude modulatie moet een lineaire versterker gebruikt worden om vervorming te voorkomen. Lineaire versterkers (klasse A en B) hebben een relatief laag rendement, veel DC energie wordt omgezet in warmte. Bijgevolg is een DSSS systeem minder rendabel (energie) en moeilijker in te bouwen in een kleine ruimte (warmte). Een FHSS systeem moet de zender en de ontvanger synchroniseren (hopping frequentie). Een DSSS systeem kan de informatie op gelijk welk ogenblik doorsturen (geen synchronisatie van zender en ontvanger vereist). De aanwezigheid van synchronistaie in een FHSS systeem heeft gevolgen op de datasnelheid. De datasnelheid van een FHSS systeem is kleiner dan dat van een DSSS systeem. WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 20

Algemeen kan gesteld worden dat DSSS gevoeliger is voor interferentie dan FHSS. Het signaal wordt in het spectrum gestuurd verspreid over een brede frequentieband en met een klein vermogen per bit. Hierdoor kan het verdeelde signaalvermogen gemakkelijk overpowered worden door interfererende signalen. DSSS maakt gebruik van een aantal vaste frequenties in de betreffende frequentieband. Wanneer een interfererend signaal zich op deze frequenties bevindt zal de informatie in grotere mate gestoord worden, daar bij FHSS rond het interfererend signaal wordt gehopt. 3.2. Antennes Een antenne heeft tot doel om een geleide electromagnetische golf (via een geleider) te converteren naar een niet geleide electromagnetisch golf (free space). Omgekeerd zal een antenne een invallende EM golf omzetten naar een geleide EM golf. Antennes maken deel uit van het communicatiesysteem. Al naargelang het type antenne en de positie kunnen verschillende communicatieresultaten bekomen worden. In deze paragraaf worden een aantal antennebegrippen nader besproken waaruit een aantal invloeden duidelijk worden. 3.2.1. Richtingskarakteristiek Gedurende voorgaande testen (paragraaf 2.1.1. en 2.1.2.) is gebleken dat, in bepaalde omstandigheden, op een grotere afstand van de ontvanger minder vermogen nodig is om het systeem te storen. De oorzaak dient gezocht te worden bij de richtingskarakteristiek van de antenne. De richtingskarakteristiek van een antenne geeft weer in welke mate een antenne uitstraalt of ontvangt in een bepaalde richting. In figuur 14 wordt een voorbeeld van een richtingskarakteristiek weergegeven. Fig. 14 : Richtingskarakteristiek antenne WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 21

Het vermogen in een bepaalde richting, met coördinaten (θ,φ), wordt weergegeven in volgende formule : 2 2 Eθ ( θ, φ) + Eφ ( θ, φ) 2 P (θ,φ) = r Z Met P (θ,φ) = vermogen in de richting met coördinaten (θ,φ) [W] E θ (θ,φ) = θ component van het elektrisch veld [V/m] E Φ (θ,φ) = Φ component van het elektrisch veld [V/m] Z 0 = intrinsieke impedantie van lucht [Ω] r = afstand van antenne tot het beschouwde punt [m] Elk type antenne heeft zijn specifiek stralingspatroon. In figuur 15 worden de stralingspatronen van een monopool en loop antenne weergegeven. De karakteristieken worden in een 2-dimensionaal vlak weergegeven maar dienen 3-dimensioneel geïnterpreteerd te worden. 0 p Monopool antenne Loop antenne Fig. 15 : Richtingskarakteristieken monopool en loop Uit figuur 15 blijkt dat in bepaalde omstandigheden (afhankelijk van de positie) het uitgestraalde vermogen aan de antenne zo klein is dat de uitgestraalde EM golven geen invloed hebben op de ontvangstantenne (bv. punt p). Dit is de verklaring waarom op een grotere afstand soms minder vermogen nodig is om een goede koppeling tussen de antennes te verkrijgen. De keuze van het type antenne wordt vaak bepaald door het te dekken gebied of door de operationele afstand. Algemeen kunnen 2 soorten antennes onderscheiden worden : directionele en omni-directionele antennes (figuur 16). Een directionele antenne heeft een dekkingspatroon dat vooral gericht is in één bepaalde richting. Een omnidirectionele antenne dekt daarentegen een gebied van 360. Met een omni-directionele antenne kan een grotere oppervlakte gedekt worden over een kleinere afstand. Een directionele antenne zal bijgevolg eerder gebruikt worden bij punt-tot-punt communicatie. antenne richtingskarakteristiek antenne richtingskarakteristiek Directionele antenne Omni-directionele antenne Fig. 16 : 2-dimensionale richtingskarakteristieken directionele en omni-directionele antenne Het gebruik van een directionele of omni-directionele antenne heeft eveneens nog een ander effect, de gevoeligheid voor multipath fading. Het ontvangen signaal is de som van het uitgezonden signaal met andere signalen (gereflecteerde, interfererende, ). Hierdoor kan het ontvangen signaal veranderen in amplitude, in fase en in de tijd. Dit effect wordt gedefinieerd als multipath fading. Het gebruik van een omni-directionele antenne zal bijgevolg gevoeliger zijn voor multipath fading dan een directionele antenne. Een omni-directionele antenne koppelt evenveel in alle richtingen en kan bijgevolg reducerende signalen oppikken uit alle richtingen. Een directionele antenne koppelt slechts in één bepaalde richting en is hierdoor minder gevoelig voor multipath fading. Be- WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 22

paalde systemen vereisen omni-directionele antennes waardoor het effect van multipath fading moeilijk te vermijden is. Daarom worden dan andere technieken toegepast zoals spread spectrum. Bij spread spectrum wordt het signaal verspreid over een grotere bandbreedte. Hierdoor zullen andere signalen minder invloed hebben op het uitgezonden signaal en het effect van multipath fading reduceren. Een andere manier om het effect van multipath fading te vermijden is het gebruik van een diversity antenne. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een tweede ontvangstantenne die horizontaal verschoven is ten opzichte van de originele antenne. Door de verschuiving wordt de kans kleiner dat de diversity antenne ook op dezelfde wijze beïnvloed wordt door multipath fading. Verder kan ook de bron van multipath fading aangepast worden zoals het vermijden van reflecterende objecten. De mate waarbij een antenne in een bepaalde richting uitstraalt wordt gekarakteriseerd met de parameter directivity. De directivity van een antenne is de verhouding van het maximaal uitgestraalde vermogen tot het uitgestraalde vermogen van een isotropische bron. Een isotropische bron heeft als stralingspatroon een volkomen sferische vorm en straalt in alle richtingen evenveel uit. Hoe groter de directiviteit, hoe meer de antenne in een bepaalde richting focuseert. 3.2.2. Mechanische eigenschappen In bepaalde gevallen kunnen factoren als afmetingen, kostprijs en vorm bepalend zijn voor de keuze van de antenne. De grootte van de antenne moet in bepaalde gevallen zo klein mogelijk gehouden worden (bv. GSM antenne). Dit wordt vaak bepaald vanuit praktisch standpunt (ruimtebeperkend) maar ook vanuit esthetisch standpunt (uitzicht). Zo worden systemen ontwikkeld waar de antenne op de PCB s worden geintegreerd (geëtst). 3.2.3. Impedantie en VSWR Bij het gebruik van een antenne in een communicatiesysteem moet de antenne goed afgestemd worden op het syteem om een efficiënte werking van de antenne te verkrijgen. Dit wil zeggen dat de karakteristieke impedantie van de antenne zo goed als mogelijk de karakteristieke impedantie van het systeem (meestal 50Ω) moet benaderen. Is dit niet het geval dan treden reflecties op die een reductie van het uitgestraalde vermogen tot gevolg heeft. Het uitgestraalde vermogen aan de antenne is de som van het ter beschikking zijnde vermogen van het systeem en van het gereflecteerde vermogen (negatief in rekening te brengen). Om een efficiënte werking van de antenne te verkrijgen dient het gereflecteerde vermogen zo laag mogelijk te zijn. De verhouding van het maximale spanningsniveau tot het minimale spanningsniveau dat op een transmissielijn optreedt wordt de Voltage Standing Wave Ratio genoemd (VSWR). Een VSWR waarde van 1,0:1 betekent dat geen reflectie optreedt en dat een optimaal rendement van de antenne bekomen wordt. Geen reflectie betekent ook een goede afstemming van de antenne tov. het systeem (de karakteristieke impedantie van de antenne benadert goed de karakteristieke impedantie van het systeem). Hoe groter deze waarde des te groter de reflectie is. In onderstaande tabel wordt weergegeven wat het verlies bedraagt bij verschillende VSWR waarden. VSWR Percent Reflected Power Transmission Loss (db) 1,0 : 1 0,0 0,0 1,1 : 1 0,23 0,01 1,2 : 1 0,83 0,04 1,5 : 1 4,0 0,18 2,0 : 1 11,11 0,51 2,5 : 1 18,37 0,88 3,0 : 1 25,0 1,25 3.2.4. Gain De gain van een antenne is een maat voor de algemene efficiëntie van de antenne. Naast de hierboven vermelde factoren treden nog allerhande verliezen op. Wanneer een antenne een efficiëntie heeft van 100% dan is de gain van de antenne dezelfde als de directivity. In de praktijk komen efficiëntie niveau s voor van 90 95%. Bij het verwerken van meetresultaten dient met deze factor telkens rekening gehouden te worden. Het uit te stralen vermogen wordt door verliezen gereduceerd tot een bepaald niveau. Om dit niveau te bepalen moeten de resultaten omgerekend worden met de gain factor. WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 23

3.2.5. Polarisatie Een elektromagnetisch veld kan grafisch voorgesteld worden door een stel vectoren. Deze vectoren staan, in een orthogonaal vlak, loodrecht op elkaar en de voortplantingsrichting van de EM golf staat loodrecht op dit vlak (zie figuur 17). E M Fig. 17 : Vectorvoorstelling EM golf voortplantingsrichting De polarisatie van een antenne beschrijft de richting en de zin van de elektrische veldvector. De meest voorkomende polarisatietypes zijn de elliptische, circulaire en lineaire (zie figuur 18). Bij lineaire polarisatie blijft de elektrische veldvector in een vaste positie. Dit betekent dat het electromagnetisch veld zich voortplant in één vlak. Bij dit polarisatietype dienen de zendende en de ontvangende antenne in lijn te staan om een optimale vermogenoverdracht te bekomen. Bij circulaire en elliptische polarisatie beschrijft de punt van de elektrische veldvector respectievelijk een cirkel en een ellips. De veldvector draait constant rond, in wijzerzin of tegenwijzerzin. Een circulair gepolariseerde antenne kan gevormd worden door 2 monopolen 90 in de ruimte ten opzichte van elkaar te verschuiven en ze aan te sturen met signalen die 90 in fase verschoven zijn. Het voordeel van een circulair gepolariseerde antenne is dat deze zonder verlies een lineair gepolariseerde EM golf kan ontvangen. Fig. 18 : Polarisatietypes Om een goede energieoverdracht te bekomen tussen een zendende en een ontvangende antenne is het belangrijk dat de elektrische veldvector, van beide antennes, mooi in lijn staan met elkaar (figuur 19). Hoe kleiner het hoekverschil θ tussen de vectoren, des te kleiner het verlies in energieoverdracht zal zijn. E TX θ E RX θ ( ) Polarisatie verlies (db) 0 0 15 0,3 30 1,25 45 3,01 60 6,02 75 11,74 90 Polarisatie verlies (db) = 20 log (cos θ) Fig. 19 : Polarisatie verschil Uit de formule blijkt dat, theoretisch, geen koppeling tussen de antennes kan plaatsvinden als de antennes onder een hoek van 90 ten opzichte van elkaar geplaatst worden. WP 2.3 Testen van RF propagatie en communicatie onder industriële voorwaarden 24