3g антенна: что такое и для чего используется, типы и параметры антенны

Содержание

ВИДЫ И ТИПЫ АНТЕНН

Известно множество конструкций радиоантенн. Наиболее удачные из них стали массовыми.

Самые простые и, возможно, самые распространенные — диполь и четвертьволновая антенна. Первый состоит из двух проводников длиной около четверти волны каждый; второй — из одного проводника длиной около четверти волны. Четвертьволновую антенну часто называют «штырем». Диполь и «штырь» — это узкополосные радиоантенны с коэффициентом усиления 2 — 5 дБ.

Штыревая антенна одинаково излучает/принимает сигнал во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной своей оси. Вдоль оси излучение отсутствует. Такие радиоантенны используют, если взаимное положение передающего и принимающего устройств все время меняется. Поэтому «штыри» часто можно видеть на автомобилях, портативных радиоприемниках, рациях, WiFi-роутерах.

Простота конструкции способствует применению и в случае относительно неподвижных объектов: знаменитая комнатная телевизионная антенна «усы» — не что иное, как диполь. Для того, чтобы нивелировать недостатки, связанные с узкой полосой пропускания, «усы» делают телескопическими, и их можно подстраивать на нужную длину волны.

В качестве уличных ТВ-антенн часто можно увидеть «волновой канал» — узкополосную направленную радиоантенну с коэффициентом усиления 5 — 12 дБ (в зависимости от модификации). Она изобретена в 1926 году Синтаро Уда и Хидэцугу Яги из Имперского университета Тохоку (Япония). Яги запатентовал изобретение, и для антенны стали использовать второе название — Яги.

В конструкции используется один активный элемент (диполь), соединенный с линией передачи. Его размер сопоставим с половиной длины волны. На одной штанге с диполем крепятся пассивные элементы:

рефлектор (длиннее диполя);
директор (короче диполя).

Основной прием (передача) «волнового канала» идет в направлении директора. Директоров может быть несколько. Добавление каждого нового элемента повышает коэффициент усиления и уменьшает угол действия (повышает направленность).

Альтернативой «волновому каналу» при приеме телевизионного сигнала служит логопериодическая антенна. Она внешне напоминает антенну Яги, но у нее другая конфигурация. Эта широкополосная радиоантенна с коэффициентом усиления 6 — 7 дБ изобретена в 1958 году Дуайтом Исбеллом и Раймондом Духамелем в Университете штата Иллинойс (США).

Логопериодическая антенна состоит из ряда активных элементов (диполей), расположенных в порядке убывания их длины. Добавление новых элементов увеличивает полосу пропускания. Пик диаграммы направленности находится со стороны более короткого диполя.

Что касается еще одной популярной конструкции — панельной антенны (патч), то она наиболее часто применяется для WiFi, GSM, 3G, 4G, GPS. Такая узкополосная направленная радиоантенна с коэффициентом усиления 5 — 10 дБ представляет собой прямоугольную (иногда эллиптическую) пластину и пластину-отражатель (экран), разделенные слоем диэлектрика.

Наибольшее распространение конструкция получила, начиная с 70-х годов 20-го века, когда панельные антенны стали массово применять на печатных платах. Длина стороны прямоугольной пластины патча сопоставима с половиной длины волны, если между пластиной и экраном находится воздух или другой материал со схожей диэлектрической проницаемостью.

Параболическую антенну можно получить из любой, поместив ее в фокус отражателя. «Тарелка» делает произвольную антенну узконаправленной, доводя коэффициент усиления до 30-40 дБ. В распоряжении ученых есть несколько гигантских отражателей с усилением 80 дБ, которые используются в составе радиотелескопов.

Полоса пропускания зависит от радиоантенны, помещенной в фокус. Спутниковая антенна — другое название, полученное из-за использования для приема спутникового ТВ.

Для того, чтобы сделать полосу пропускания шире или использовать в работе несколько диапазонов, изготавливают комбинированные конструкции — несколько в одной. Например, распространены наружные ТВ-антенны Яги для дециметровых волн, совмещенные с диполем для метровых волн.

Коллинеарная антенна

Одним из эффективных путей реализации антенны вертикальной поляризации с высокой направленностью состоит в том, чтобы формировать линейную антенную решетку, в которой комбинируется несколько синфазных коллинеарных излучающих элементов. Настройка антенн коллинеарного типа нуждается в точном расчете. На рис.3.5. изображены типичные конструкции коллинеарных антенн с графическим пояснением принципов их работы. В антенне на рис.3.4.а между полуволновыми излучающими элементами для обеспечения синфазного питания включены катушки индуктивности. Этот тип антенны называется нагруженной антенной и часто используется как автомобильная антенна.

Рис.3.4.

Антенны, показанные на рис.3.4.б, в обычно известны как коаксиальные коллинеарные антенны. Этот вид антенн используются как антенны для автомобиля, так и антенны базовых станций. Синфазность питания этих антенн зависит от длины излучающих элементов и расстояния между ними, потому эти антенны узкополосные.Коллинеарные антенны имеют относительно большое усиление. Строятся они таким образом, чтобы, несмотря на большую длину антенн, исключить участки ее с токами противоположного направления. На рис.3.5. показаны варианты реализации антенны Маркони-Франклина.

Рис.3.5.

Катушки на рис.3.4.а и участки линий на рис.3.4.б имеют электрическую длину полволны; в этих катушках и участках токи имеют противоположное направление, но они не излучают. На остальных излучающих участках антенны токи синфазны. Рис.3.6. поясняет конструкцию и принцип работы антенны из отрезков коаксиальной линии с перекрещиванием (рис.3.5.).

Рис.3.6.

Внешние и внутренние проводники полуволновых отрезков соединены перекрестно. Внутренний проводник и внутренняя поверхность трубы служат линией питания, к которой в точках «а» и «б» подключаются излучающие вибраторы в виде внешних поверхностей трубы 1 и 2 или 3 и 4. У основания эта антенна должна питаться симметрично, иначе половина вибраторов получит потенциал земли, и не будет излучать. На рис.3.6. показан вариант такого вида антенны, отличающийся большей технологичностью в производстве.

Все современные коллинеарные антенны, как правило, заключеаются в диэлектрический (обычно стеклопластиковый) корпус, защищающий от климатических воздействий являющийся опорной конструкцией.

У антенн, запитываемых с одного конца, каковыми являются все рассмотренные выше коллинеарные антенны, ток, по мере приближения к другому концу антенны, спадает из-за затухания, обусловленного излучением, особенно у антенн с относительно большими поперечными сечениями. Это приводит к расширению основного лепестка, уменьшению боковых лепестков и КНД. Эти антенны узкополосны, поскольку правильная фазировка их элементов определяется соотношением длины волны и размеров частей антенны.Применение таких антенн в качестве стационарных для базовых станций в отличие от антенных решеток имеет ряд преимуществ. Такие антенны легко монтируются в виду небольших массогабаритных характеристик, имеют довольно высокий коэффициент усиления и равномерную круговую диаграмму направленности.В качестве антенны подвижного средства могут также применяться коллинеарные антенны особенно для высокочастотных диапазонов 800…900 МГц.

Рис.3.7.

Антенна, показанная на рис.3.7., представляет собой антенну Маркони-Франклина с малым числом секций и одной фазирующей катушкой. Катушка используется и в части механических свойств – придает антенне гибкость, желательную для антенн подвижных средств.

Типы антенн

Модемы 3G уже имеют в своём составе внутреннюю антенну, которая позволяет работать с внешним сигналом без дополнительного усиления. Внутреннее расположение приёмного устройства обеспечивает стабильную работу модема только в зоне уверенного приёма. Если сигнал слабый или непостоянный, тогда необходима выносная антенна уличного расположения Исходя из этого, можно произвести разделение по типу на следующие конструкции:

внутренние;
внешние (уличные).

Подключенный три джи модем через вход USB к системному блоку ПК не всегда может обеспечить качественную работу интернета. Для этого необходимо усилить сигнал добавлением выносной конструкции.

Собственная антенна внутри модема

Внешние антенны для модемов располагаются на улице. Их крепят на стены зданий, на мачты, располагают на крыше. Чем выше находятся антенны 2g и 3g, тем больше уверенности в их качественной работе. При установке желательно выполнять следующие условия:

прочность несущего основания и креплений;
защита от внешних факторов;
избегание при кабельном спуске длинных горизонтальных участков и скручивания в кольца;
надёжность контакта в местах присоединения кабеля к антенне.

Это связано с тем, что при падении антенна может повредиться или нанести вред окружающим. Частое опускание и поднимание антенны или подъём на крышу человека для устранения повреждений – дело хлопотное.

Важно! Не только высота и ориентация на местности влияют на производительность уловителя сигнала

Необходимо обратить внимание на разновидности конструкций антенн

Обычные и MIMO-усилители

Использование простых LTE-устройств позволяет добиться увеличения скорости мобильного интернета до 50 Мбит/с. Но в продаже сегодня имеются и еще более совершенные антенны, обеспечивающие прием сигнала примерно на 100 Мбит/с. Называют такие модели MIMO. Особенностью их конструкции является то, что она включает в себя сразу две LTE-антенны, смонтированные в одном корпусе на небольшом расстоянии друг от друга. Оба устройства при этом принимают и передают сигнал к приемнику одновременно, но через два отдельных кабеля. А это в свою очередь и обеспечивает высокую скорость мобильного интернета. Расшифровывается аббревиатура MIMO в переводе с английского примерно как «множественный вход, множественный выход».

Приобретать антенну LTE MIMO для 3G интернета стоит только в том случае, если есть уверенность в том, что в БС 3G в стандарте работает в этом режиме.

Укороченные антенны.

Входное сопротивление антенны оказывается чисто активным лишь при работе на резонансных волнах. Если антенна возбуждается на других волнах, то для подведения к антенне максимальной мощности передатчика необходимо произвести настройку антенны, осуществляя согласование. Т.е. скомпенсировать реактивную составляющую входного сопротивления. В режиме удлинения, характерном для этого типа антенн, для компенсации реактивной составляющей обычно используют катушку индуктивности, которая как бы удлиняет вибратор (рис.3.8).

Рис.3.8.

Индуктивность полностью включенной катушки должна быть такой, чтобы ее сопротивление скомпенсировало емкостное сопротивление антенны.

Укороченные антенны (антенны в режиме удлинения) находят широкое применение как антенны, устанавливаемые на подвижных объектах (автомобиль, самолет и т.д.). Это вызвано тем, что такие антенны легко маскируются, противостоят значительным ветровым нагрузкам и удобны в эксплуатации. Но на длинах волн, не кратных 0,25l, возрастает реактивная составляющая входного сопротивления антенны, что приводит к усложнению настройки антенны. При длине плеча L=5/8l достигается максимальная характеристика направленности антенны, но входное сопротивление имеет сильную емкостную составляющую, для компенсации которой и ставят катушку согласования.

СОЕДИНЕНИЕ В ЕДИНУЮ СИСТЕМУ

Если радиоантенна на крыше, модем совершенно не нужно устанавливать там же. Антенну и модем соединяют кабелем. Все, что относится к линии соединения, называется фидером.

Кабель годится не любой. Он должен быть коаксиальный (центральный проводник и экран (оплетка), разделенные диэлектриком) и иметь волновое сопротивление 50 Ом. Допустимо использование кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом, но это требует дополнительного согласования, поэтому лучше его оставить специалистам.

Разъемы должны надежно соединять антенну с кабелем, а кабель с модемом. Сигнал в кабеле ослабляется. Чем трасса длиннее, тем больше потерь. Если на кабеле есть стыковки (разъемные соединения, тройники), сигнал ослабляется еще больше. В некоторых случаях на фидере можно потерять весь выигрыш от установки антенны на крыше.

Разъемы должны иметь то же волновое сопротивление, что и кабель (50 Ом). Ответный разъем того же типа должен быть на антенне. Существует много их разновидностей, и, на первый взгляд, все похожи. Надо внимательно читать маркировку или принести с собой в магазин образец, иначе неспециалисту легко ошибиться.

К кабелю разъемы (в зависимости от модификации):

припаиваются;
обжимаются;
накручиваются на него.

Современные USB-модемы имеют точку подключения внешней антенны. Для подсоединения к ней коаксиального кабеля удобно использовать переходник, который называют пигтейл (короткий отрезок кабеля с разъемами). Один разъем подключают к модему, другой к кабелю.

При использовании технологии MIMO кабелей будет два (от каждой из антенн) и соответствующих разъемов на модеме тоже должно быть два.

Часто USB-модем подключают к компьютеру. Другой вариант — роутер (маршрутизатор), с помощью которого можно организовать локальную сеть (WiFi). Функции роутера могут быть встроены в компьютер.

Радиоантенна, располагающаяся на улице, может быть соединена не с модемом, а с усилителем другой антенны, которая устанавливается в помещении, где сигнал с базовой станции слабый. Такой сигнал может быть принят смартфонами, планшетами, USB-модемом.

Как правило, антенна на улице узконаправленная (панельная, Яги или параболическая), а в помещении штыревая — одинаково передающая (принимающая) сигнал в плоскости, перпендикулярной своей оси. Такие системы называются репитерами.

На рынке доступно достаточно готовых решений для дачи, где все компоненты уже согласованы друг с другом. Это может быть комплект из антенны, кабеля и модема или комплект репитера. Нужно только правильно выбрать частотный диапазон и надежно установить внешнюю антенну, правильно ориентируя ее на базовую станцию.

* * *

Процесс создания устройства

Как сделать антенну, можно увидеть на приведённом рисунке. Если соблюсти все размеры, 3g антенна начнёт работать сразу. Само пошаговое изготовление состоит из следующих пунктов:

Рассчитывают размер периметра квадрата. Для этого обращаются к длине волны, которую находят из нужной частоты сигнала λ=300000/f, тут λ – длина волны (мм), f – частота (МГц). Так, для частоты 2100 МГц (модем 4G) λ = 143 мм. В каждом случае размеры индивидуальны.
Изгибают из медного прутка диаметром от 2…5 мм квадраты со стороной, равной 1/4 периметра. Следовательно, длина каждой стороны равна 36 мм. При изгибах соблюдают углы и расположение сторон в одной плоскости.
Коаксиальный провод сопротивлением 50 Ом припаивают к концам антенны, предварительно залудив места пайки. Центральная жила припаивается к одной точке присоединения, экран – к другой. Второй конец кабеля оканчивается разъемом, подходящим для подключения к USB-модему.
Изготовление рефлектора зависит от материала, из которого он будет выполнен. Размеры экрана должны превышать размеры вибратора на 2-2,5 см. По центру проделывается отверстие для изоляционной втулки (стойки), к которой будет прикрепляться вибратор. Центр прямоугольника находится просто – пересечение диагоналей.
Размер стойки можно подобрать сразу или сделать её регулируемой для выбора расстояния. После окончательного выставления расстояния стойку фиксируют.

К сведению. В случае наружной установки готовую конструкцию можно поместить в подходящий пластиковый корпус. Размещение внутри корпуса выполняется на изолирующих втулках, в корпусе просверливается отверстие для подвода антенного провода.

Основные размеры устройства

Подсоединение и варианты передачи сигнала

Лучше всего присоединения выполнять с помощью разъёмов, подходящих к размеру кабеля и входному разъёму модема. Подача сигнала от антенны к модему происходит по антенному проводу длиной, достаточной для его соединения с антенной. Установленный уловитель сигнала необходимо направить в сторону расположения вышки сотового оператора.

Осторожно. Следует избегать прокладки кабеля в общие каналы с проводами переменного тока, а также близкого расположения с отопительными приборами

При наружном размещении устройства кабель желательно защитить от механических повреждений.

Отправка данных беспроводным путем

Бывает так, что нет возможности протянуть провод через жилое помещение. Или квартира расположена на верхних этажах высотки, и нет балкона. В этом случае проблематично не только закрепить антенну снаружи, но и прокладывать провод через всё жилище.

Чтобы не соединять антенну с модемом с помощью кабеля, можно превратить её в приёмник – излучатель. Вместо кабеля к активным точкам антенны подключают два электрода. Их длина равна длине контура модема. Измерив ниткой длину внешнего очертания модема, приплюсовав к ней 7 мм, получают длину электрода. Ширина его лежит в пределах от 45 до 50 мм. Электроды изгибают по следующей траектории:

один электрод – в виде полукруга;
другой электрод – по конфигурации модема.

Припаянные электроды слегка разводятся в стороны. Таким образом, биквадрат Харченко принимает сигнал беспроводного интернета и излучает его значительную часть, которую будет ловить встроенная антенна модема. В пределах квартиры или комнаты этого вполне будет достаточно для стабильной работы интернета с помощью такого самодельного «вай фай».

Антенна 3g, не важно куплена она в магазине или сделана своими руками, усилит сигнал. Мобильный интернет от сотового оператора станет работать устойчивее и быстрее

Самостоятельно выполненная конструкция принесёт удовольствие от результата и сэкономит семейный бюджет.

Применение панельных антенн для работы в сетях 4G

На сегодня рынок предлагает множество антенн, конструктивное исполнение которых значительно варьируется от таких параметров, как диаграмма направленности и рабочий частотный диапазон. Касательно первого: угол раскрытия основного лепестка варьируется в пределах от 30 до 90 градусов, для сотовых антенн — обычно от 60 до 75 градусов. Также вклад в направленность вносит угол наклона, который может быть как регулируемый как механическим путем (вертикальная плоскость), так и стационарным, установленный заводом-изготовителем (горизонтальная плоскость).

Второй параметр как раз определяет частотную селективность антенны (о чем упоминалось ранее) и для сетей 4G диапазон может быть самым разным (от 800 МГц и выше), некоторые сотовые вышки работают сразу на нескольких значениях, например, для LTE это могут быть линии 700 МГц, 800 МГц, 2600 МГц. Если необходимо включение 3G, дополнительно используется полоса 2100 МГц. Естественно, что это требует разделения как в плоскостях поляризации, так и пространственное, а также разных направленностей. Это неизбежно приведет к огромному видовому разнообразию устройств, что и можно наблюдать на рынке.