Как сделать gsm антенну
Тема актуальна для абонентов, живущих за пределами крупных населенных пунктов и при большой удаленности от ближайших вышек сотовых операторов. Но и в городах с плотной застройкой прием прямого сотового сигнала иногда затруднён, приходится довольствоваться использованием отраженного сигнала, а он ослаблен в несколько раз. В этом случае поможет выносная антенна.
Конструкции таких антенн различны, отличающиеся принципом построения, сложностью конструкции и радиотехническими параметрами. В данной статье хотелось бы поделиться личным опытом по изготовлению и применению варианта антенны, доступного для повторения в домашних условиях, без применения сложных расчетов и технологий изготовления.
В моем случае, проблема состояла в крайне низкой скорости интернет соединения из-за большой удаленности от вышки (15 км по прямой) и, кроме того, прием прямого сигнала был невозможен из-за находящихся перед домом других зданий. По этой причине 3G–сигнал модемом практически не фиксировался, и работать он мог только в режиме GPRS (использовался модем от МТС (MF192+) и модели от Мегафона).
Были рассмотрены многие варианты для увеличения уровня принимаемого сигнала, в том числе на различных сайтах в интернете по этой теме. Анализ антенн различных конструкций и отзывы об их работе показали, что наиболее эффективно работают варианты направленных антенн типа «волновой канал» или с использованием отражателей-тарелок с расположением самого модема в их «фокусе». Но такие антенны требуют для изготовления точных и сложных расчетов, довольно специфических материалов, и, поэтому, делать в домашних условиях их не просто. А варианты с выносом самого модема «на улицу» (за окно, на крышу и др.) сразу отпали из-за необходимости применения при этом USB удлинителя более 15 м, а при такой длине модем вообще работал не устойчиво. Кроме того, модем в принципе не предназначен для работы в уличных условиях , при значительных перепадах температуры и влажности.
Поэтому рассматривался вариант комнатной направленной антенны, а по многочисленным положительным отзывам, таким вариантом являлась конструкция антенны «зигзаг Харченко» или «би-квадрат». Следует сказать, что в моем случае применение двойного и тройного вариантов «би-квадрата» не показало никакого значимого преимущества перед обычным, простым вариантом этой антенны. Поэтому в дальнейшем будет рассмотрен подробный расчет и особенности изготовления «классического» варианта «би-квадрата»:
Расчет антенны
Периметр рамки антенны такого типа должен быть равен длине волны принимаемого радиосигнала. В нашем случае длину волны можно рассчитать, зная частоту сигнала 3G, которая составляет 2100 МГц. Для этого нужно разделить скорость распространения радиоволн (300000 км/сек) на частоту:
300000 / 2100000 = 0, 143 м
- получаем длину рамки равной 143 мм. Поскольку рамка имеет форму квадрата, следует разделить ее общую длину на 4, в результате получим длину каждой стороны квадрата, равную 35,75 мм. (во многих источниках можно найти другие длины сторон - от 27 до 53 мм… Очевидно, такие антенны рассчитаны уже на другой диапазон - GSM или Wi-Fi, например, рабочие частоты у которых, соответственно, ниже или выше, чем в нашем случае).
Изготовление
Коэффициент усиления данной антенны примерно 6 дБ. При ее изготовлении все размеры нужно соблюдать как можно точнее, от качества изготовления сильно зависит и качество работы. Следует заметить, что любая антенна без усилителя не усиливает сигнал как таковой, а выделяет его на фоне других сигналов и различных помех (если антенна не широкополосная). Чтобы увеличить усиление до 9 дБ, нужно применить рефлектор . Это может быть металлическая пластина, мелкая сетка или даже фольга, наклеенная на фанеру или плотный картон, размерами на 10-15 % больше площади «полотна» самой антенны. В данном случае рефлектор будет иметь размеры 125 х 75 мм.
Для изготовления потребуется медный провод диаметром не менее 4 мм.кв (можно использовать «жилу» от силового электрического кабеля марки ВВГ или NUM). Периметр каждого квадрата равен длине волны – 143 мм. Поскольку антенна состоит из двух квадратов, то понадобится отрезок провода 2 х143 мм = 286 мм. Размечаем провод на 8 равных отрезков и изгибаем в этих местах под углом 90 градусов , а свободные концы спаиваем между собой, чтобы получился замкнутый контур:
Рефлектор следует закрепить позади «квадратов» антенны, причем расстояние до рефлектора тоже имеет большое значение, так как это влияет на входное сопротивление и согласование с кабелем. Теоретически это расстояние должно составлять ¼ длины волны, в нашем случае: 1 43 / 4 = 35,75 мм . Но моя антенна, например, лучше работает при расстоянии 18 мм, а это получается 1/8 длины волны. Поэтому это расстояние лучше сделать «регулируемым» и подбирать в процессе настройки. Для этого берем отрезок медной трубки подходящего диаметра (туда должен входить наш соединительный кабель), например - от телескопической антенны для приемников/телевизоров. Придаем ему форму, как показано на рисунке:
В пластине рефлектора сверлим отверстие в центре, чтобы туда плотно входила эта трубка. Её можно не припаивать к рефлектору и при настройке двигать, регулируя расстояние до плоскости антенны. Затем припаиваем рамку из двух квадратов к этой трубке, сквозь трубку пропускаем кабель (обычный телевизионный) и припаиваем его центральную жилу к внутреннему углу рамки напротив отверстия трубки, а оплетку-экран кабеля – к трубке с противоположной стороны рефлектора (всё это видно на фото ниже):
Трубку можно припаять к рефлектору после окончательной настройки антенны. Плоскость антенны должна быть строго параллельна плоскости рефлектора, потому что даже небольшой перекос сильно снизит уровень сигнала (!)
Соединение с модемом
Если на вашем модеме нет специального разъема для подключения внешней антенны, то нужно сделать своеобразный «адаптер», который надевается снаружи и передает сигнал на внутреннюю антенну модема методом переизлучения. В простейшем случае это 3-5 витков центральной жилы кабеля на корпусе модема, в месте расположения его внутренней антенны :
Количество витков подбирается при настройке по максимуму принимаемого сигнала. Затем эти витки следует закрепить на модеме изолентой. А можно сделать конструкцию посложнее, как на фото ниже:
- «кольцо» сделано из полосы медной фольги шириной 45 мм и плотно облегает корпус модема в месте расположения его внутренней антенны. К этому кольцу припаивается центральная жила соединительного ТВ-кабеля. Из другой полоски такой же фольги, но размерами 25 х 75 мм, изгибается «полукольцо», как на фото, и к нему припаивается оплетка-экран кабеля. Электрического контакта между кольцом и полукольцом быть не должно. Регулируя положение полукольца (угол его наклона относительно модема), можно добиться максимального уровня принимаемого сигнала. У модемов разных типов и моделей расположение встроенной антенны внутри корпуса также разное (в районе разъема USB или на другом его конце). Это следует учитывать при расположении «адаптера» на корпусе вашего модема!
Для соединения модема с антенной выбирайте качественный ВЧ-кабель, лучше марок: 10D-FB, 8D-FB, 5D-FB (в порядке ухудшения качества)
Настройка антенны
Расположив антенну так, чтобы она была направлена в сторону ближайшей вышки сотовой связи у окна или напротив него, отрегулируйте расстояние между ней и пластиной рефлектора, сдвигая трубку. Ориентироваться можно по уровню сигнала значка антенны в стандартной программе-коннекте для вашего модема (но там запоздалая реакция на изменение сигнала - до 20 сек (!),
В моем случае показатель шкалы антенны увеличился до 2-3 делений (до этого не было совсем). Однако скорость интернет соединения при этом поднялась очень ощутимо, так как важен даже не уровень сигнала, а отношение «сигнал-шум». Наша антенна работает в резонансе с полезным сигналом и «давит» посторонние шумы и помехи. Поэтому скорость обмена информацией увеличилась с 0,5 Мб/с до 3…4 Мб/с в дневное время (ночью - выше). А без антенны, как уже говорилось ранее, прием сигнала 3G был вообще практически невозможен.
Чтобы не быть голословным, ниже приведу скриншоты с уровнями сигнала и скоростью интернет-соединения с такой антенной:
Стандарт GSM придуман Европой в 1982 году, наравне с несколькими, касающимися связи посредством радиотелефонов. Направление антенн было проблемным, передатчики находились близ головы человека. Вред заметили быстро, широко известно: работники предприятий, задействованные связью, получают надбавки заработной платы. Недолго думая, комитет по стандарту ввел новый вид модуляции, позволяющий понизить мощности. Антенны сперва изготавливали выдвижными, позже приобрели вид пеньков, выступавших из корпуса аппарата. Начинка стремительно уменьшалась в размерах вместе с блоками питания, направление малогабаритных антенн гигагерцового диапазона относительно молодое. Первые наработки касаются 50-х годов прошлого века. Антенна GSM своими руками: как сделать, где установить. Поговорим подробнее.
Развитие стандарта GSM, антенн GSM
Потрудившиеся заглянуть внутрь мобильного телефона, другого гаджета, бессильны увидеть конструкции, напоминающие привычную глазу антенну. Продуманный производитель конструирует, больше руководствуясь опытными соображениями, стройной теории лишены. Нет смысла думать, что обзором будут вскрыты корпоративные секреты компании. Начиная 3G, стандарты цифровые, постоянно идет борьба, чтобы вместить побольше информации, задействовав поменьше ресурсов. Упоминали вред, внутри сотового телефона излучатель расположен в области задней стенки, от пользователя отделен экраном-землей. Микрополосковая технология известна давно. Книга 80-х годов Веселова описывает третьей частью концепцию.
На территории РФ ходят следующие стандарты:
- GSM 900: частота передачи 890 – 915 МГц, частота приема 935 – 960 МГц.
- GSM 1800: частота передачи 1710 – 1785 МГц, частота приема 1805 – 1880 МГц.
Изготовление GSM антенны
Разновидности GSM антенн
У читателей появится выбор того, какая выносная GSM антенна будет изготовлена. Биквадратная конструкция Харченко выполняется радиолюбителями из полосок шириной 10 мм, стороной квадрата по центру 80 мм. Не проверяли размеры, габариты определены длиной волны, используемой стандартом GSM. Для 900, 1800 МГц разница составит два раза. Скрупулезно проверяйте размеры чертежей. Рамка должна быть пропорциональна четверти длины волны. Формула известна из курса физики, приводить четыре рисунка, отличающихся мелкими деталями, нет смысла. Нужно понять: внешняя GSM антенна сходна строением с WiFi, полагаем, любую из раздела можно перенести сюда. Разница ограничена частотой, модуляцией. Первая не влияет на прием, вторая определяет размеры GSM антенны.
При использовании удлинителя старайтесь разместить усилитель поближе к точке монтажа. Шумы провода сильно снижают чувствительность устройства.
Зачем нужна GSM антенна
Поскольку не везде сигнал можно поймать одинаково хорошо, для улучшения процесса понадобятся внешние и внутренние антенны и репитеры. Необходимость в покупке такого оборудования вытекает из особенностей самого телефона, который работает как дуплексная радиостанция с обменом на разных частотах.
Репитер в этой системе выполняет функции промежуточного звена. Прибор обрабатывает сигнал и отправляет его либо на базовую станцию, либо на мобильный аппарат, используя антенны. Это позволяет устранить помехи, снизить уровень излучения и даже продлить срок службы аккумулятора смартфона.
Особенности и типы устройства
Существуют различные типы GSM-антенн. К популярным относятся:
Выбор устройства зависит от задач, которые необходимо решить.
Выделяют также внутренние антенны. Они собираются в единую систему, которая состоит из внешней конструкции, улавливающей сигнал базовой станции, и внутренней, которая распространяет его в помещении. Дополнительно в систему входят репитер (он считается промежуточным звеном), делитель мощности, специфические разъемы и коаксиальный кабель.
Устройства делятся на активные и пассивные. Репитер относится к активным объектам, а антенны считаются пассивными.Как работает
Сделанный из подручных средств репитер часто называют GSM-антенной. Но прибор представляет собой отдельное устройство, которое состоит из делителя мощности, разъемов, через которые передается питание, и коаксильного кабеля (он нужен для подключения антенны).
Пошаговая инструкция по изготовлению gsm антенны своими руками
Если мастер решил сделать такой прибор самостоятельно, то лучше выбрать простой вариант конструкции.
Какие материалы понадобятся?
Никакого дополнительного оборудования покупать не надо. Необходимые детали для создания антенны есть в мастерской.
Для этого понадобятся:
- Проволока, любая, кроме медного провода. Рекомендуемая длина: 30-40 см.
- Соединительный блок и крепежные элементы.
- Полимерная труба (длиной до 20 см).
- Кабель.
Самодельная антенна в процессе изготовления должна фиксироваться, поэтому стоит запастись изолентой.
Вопрос выбора кабеля играет важную роль. Коаксильный кабель отечественного производства имеет ограниченную сферу применения. Лучше выбирать импортные аналоги с двойной оплеткой, их легко можно найти в строительных супермаркетах. При этом некоторые антенны уже продаются с коаксиальным кабелем в комплекте. Например, штыревые модели.
Для подключения к телефону в большинстве моделей предусмотрен специальный разъем. У некоторых аппаратов даже есть антенные проводники. Это короткие отрезки кабеля, оснащенные соответствующими разъемами. Даже если в комплектацию они не входят, при необходимости детали приобретают отдельно.
Как сделать антенну самостоятельно?
- Отрезок проволоки сгибают несколько раз под прямым углом так, чтобы получился квадрат.
- Противоположные углы этой фигуры загибают внутрь и скрепляют, к ним фиксируется соединительный блок. Это нужно сделать так, чтобы к блоку можно было подключить другое устройство. Для этого используют отрезок полимерной трубы, разрезанной вдоль.
Антенну для смартфона можно также изготовить из других подручных материалов, используя даже жестяную банку. Например:
- Из 1 кольца. Из проволоки делают виток, рассчитав предварительно диаметр (зависит от частоты звука). Для расчета берут отношение 300 к показателю частоты, и эту цифру умножают на число Пи. Так, для частоты в 900 МГц диаметр составит 0,106 м.
- Из 2 колец, соединенных между собой. Из 1 отрезка проволоки делают 2 витка и закрепляют их точно друг напротив друга. Диаметры считаются так же, как и в первом примере. Расстояние между витками зависит от частоты.
- Из 4 колец. Принцип изготовления похож на 2 вариант, но здесь делают не круглые витки, а фигуры, напоминающие восьмерки. Расчеты проводятся аналогичным образом.
Установка, подключение и настройка
Недостаточно просто собрать конструкцию, нужно грамотно выполнить ее монтаж. Стоит выбрать правильное место для установки, поскольку от этого напрямую зависит качество работы устройства.
Чтобы понять, насколько подходит выбранное место, нужно оттуда сделать 1 звонок с мобильного телефона. Иногда достаточно посмотреть на дисплей гаджета, где отображается индикатор сигнала.
Придется также учесть технические ограничения и правила безопасности. Например, устанавливать антенну нужно на расстоянии как минимум 1 м от отопительных приборов.
Когда все готово, нужно проложить коаксиальный кабель. При подключении проверяют разъемы и соединение с внешней антенной. Если последнего нет, то прибор может выйти из строя. Если кабель, ведущий к внешней системе, нужно отсоединить, то сначала отключают питание.
Устанавливать репитер рекомендуют только в отапливаемом помещении. В отличие от внешних антенн, прибор не рассчитан на работу при отрицательных температурах и неблагоприятных погодных условиях.
Если система собрана с ошибкой, то будет создавать помехи. И тогда не только репитер не справится со своей задачей, но и работа ближайших станций ухудшится. Поэтому приступать к установке без предварительных расчетов нельзя.
При ручной регулировке придется самостоятельно менять положение антенн как внешних, так и внутренних.Настройка внешнего оборудования тоже важна. Если речь идет о волновом канале, то его нужно разместить вертикально, поскольку антенны базовых станций современного стандарта имеют соответствующее направление сигнала.
Здесь учитывают важный момент. В телефоне отображается приемный уровень сигнала, но это происходит с задержкой. Поэтому если пользователь меняет угол поворота антенны, то делать это рекомендуется медленно, так как на экране уровень сигнала изменится только через несколько секунд.
В последнее время в России значительно увеличилась зона покрытия сетями стандарта GSM 900. Тем не менее ситуация далека от идеальной. Если в европейских странах проблема неуверенного приема практически отсутствует, то большинство отечественных пользователей частенько с ней сталкиваются - в загородных домах, на дачах и т. д. А как было бы замечательно выехать на рыбалку, охоту, в деревню, не теряя связь с внешним миром!
Справка
Говоря совсем просто, мобильный телефон представляет собой дуплексную радиостанцию, ведущую радиообмен на разных частотах. Всего в стандарте GSM 900 124 частоты. Телефон, как и базовая станция, может работать на любой частоте, определяемой оператором.
Базовая станция (BS) передает, а телефон (MS) принимает на частотах 935,2 - 959,8 МГц. Мобильный телефон передает, а базовая станция принимает на частотах 890,2 - 914,8 МГц. Канал от BS к MS называется Down Link, от MS к BS - Up Link. Большинство операторов используют ограничение дальности работы мобильного телефона от базовой станции - 35 км, что обусловлено особенностями стандарта. Поясним, что в сети стандартной конфигурации в одном частотном канале формируется 8 временных интервалов (тайм-слотов): один служебный, а семь - разговорные. Именно в этом случае максимальная дальность связи на каждом канале составляет 35 км. Однако в GSM предусмотрена также нестандартная конфигурация соты, при которой дальность связи увеличивается на 70 - 100 км (конфигурация Extended Cell). К сожалению, при такой конфигурации количество разговорных каналов уменьшается до 2 - 3, что уменьшает емкость сети. Использовать такой режим в городе и около оператору не выгодно. Иногда этот режим используется на морском побережье для создания прибрежной зоны покрытия.
Таким образом, если у вас телефон стандарта GSM 900, не пытайтесь установить связь, удалившись от ближайшей базовой станции больше чем на 35 км. Максимальная дальность связи, достигнутая мной, - 34 км.
Дальность связи
На дальность радиосвязи влияют следующие факторы:
Местоположение BS и MS и рельеф местности.
Мощность и чувствительность MS.
Мощность и чувствительность BS.
Используемые на MS и BS антенны.
Воля Господа Бога (опытные связисты шутят, что это - главное).
Обычно базовые станции имеют мощность 20 - 30 Вт. Антенны применяются либо штыревые, либо направленные. Чувствительность базовых станций составляет -100 дБ - 115 дБ. Изменить или повлиять на все эти параметры пользователь, конечно, не может. Выходная мощность телефона составляет 0,3 - 2 Вт, чувствительность - 90 - 105 дБ. Чувствительность телефона в основном определяется технологиями, используемыми при создании малошумных входных устройств. Если в зонах уверенного приема разница в чувствительности и мощности между моделями практически незаметна, то в зоне неуверенного приема она может стать критической. Зачастую трубка показывает уровень сигнала от базовой станции 1 - 2 кубика (по шкале), а установить соединение не может: не хватает мощности. И хотя стандартизация ETSI регламентирует стандартные выходные мощности для каждого класса телефонов, реальное значение может незначительно колебаться. Хорошей чувствительностью отличаются трубки SAGEM, Alcatel, Motorola. А по мощности проходят все старые телефоны, особенно Motorola. Все телефоны фазы 2 имеют примерно одинаковую мощность.
Что же касается рельефа, то на ровной местности и по реке волны распространяются лучше. Чем выше вы находитесь (в разумных пределах), тем лучше сигнал. Лес порой "гасит" волны сильнее, чем городская застройка.
Поиск сигнала
Если сигнал, хоть и очень слабый, был все же пойман, наберите любой городской номер - для проверки. Если при разговоре слышимость нормальная и собеседник не жалуется на выпадение кусков вашей речи, значит, энергетика обеих линий (UL и DL) сбалансирована и можно использовать стандартную антенну, настроенную на среднюю частоту между частотами приема и передачи. Если же собеседник время от времени пропадает, необходимо "усиливать" нисходящее направление от базовой станции к вашему телефону. Возможно, стоит поискать телефон с лучшей чувствительностью. Но если плохо слышно вас, следует усиливать направление от вашего телефона до базовой станции. Уже на данном этапе понятно, что при выборе типа антенны и ее параметров желательно учитывать данные оператора и условия приема.
В зонах неуверенного приема часто наблюдается интерференция (помехи) между каналами с одинаковыми и соседними частотами. К сожалению, частотный ресурс, выделенный операторам GSM 900 в России, ограничен, из-за чего в зоне неуверенного приема часто "видны" частоты от разных базовых станций с одинаковыми или соседними значениями уровня сигнала. Такие частоты создают взаимные помехи, мешающие связи, а при определенных уровнях сигналов связь становится и вовсе невозможной. Если на экране телефона фиксируется сильный сигнал от базовой станции, а установить соединение не удается или удается, но речь все время пропадает, значит, вы столкнулись с "чужаками". "Заставить" телефон выбрать другую частоту получается далеко не всегда, однако специальная функция телефонов Nokia - Netmonitor - это сделать позволяет.
С подобной проблемой я столкнулся на даче, которая отделяется от крупного города довольно-таки открытым пространством. Телефон принимал соседние частотные каналы с уровнями 70 дБ, 73 дБ и 72 дБ, но качество связи оставляло желать лучшего. Спас меня только принудительный выбор другого частотного канала с меньшим уровнем - 80 дБ. Однако при ограниченном частотном ресурсе даже частотное перепланирование сети выручает далеко не всегда. Тем не менее, если в вашем телефоне отсутствует Netmonitor, можно использовать внешнюю направленную антенну с хорошей диаграммой направленности. Остается только сделать правильный выбор.
Выбор антенны
Как уже говорилось, увеличить дальность и качество связи позволяют именно внешние антенны. Для телефонов в основном используются внешние штыревые и логопериодические антенны, а также антенны типа волновой канал. Повторим, что в Западной Европе отсутствуют зоны неуверенного приема. Поэтому направленные антенны для терминалов GSM 900 практически не выпускаются. Если производитель и предлагает направленную фирменную антенну GSM 900, она, как правило, предназначена для работы с ретрансляторами (репитерами) операторов.
Рис. 1. Вертикальный диполь
Зачищаем c одного конца белый телевизионный кабель RG6U. Получаем центральный проводник и оплетку кабеля. К центральному проводнику припаиваем медный провод любой толщины длиной около 8,2 см (для диапазона 900 МГц) и крепим его вертикально вверх. К оплетке припаиваем второй кусок провода такой же длины и крепим его вертикально вниз (рис. 1). Получаем нечто похожее на букву "Т", положенную набок. (В телевидении используется горизонтальная поляризация, а в GSM - вертикальная, поэтому требуется именно такой диполь.) Другой конец кабеля подключаем через переходник к телефону. Будьте внимательны и не замкните центральную жилу с оплеткой, иначе телефон может сгореть. Ну вот, за 5 минут мы соорудили примитивную антенну, не уступающую по параметрам китайским автомобильным.
Приведу историю из жизни. Приехав прошлым летом на отдых в Крым, я обнаружил, что на базе обещанного оператором уверенного покрытия нет. Это означало, что я пропущу очень важный звонок. Уверенный сигнал обнаружился на крыше коттеджа, но перспектива просидеть там две недели меня не вдохновила. За 5 минут я нашел кусок нужного провода (вместо медного использовал алюминиевый). Еще 10 минут ушло на то, чтобы отыскать у соседей 5-метровый кусок телевизионного кабеля. Nokia 7110 имеет механический коммутатор для внешней антенны, поэтому я просто воткнул центральный проводник кабеля прямо в разъем телефона, а оплетку кабеля соединил с металлическим ободком внешнего разъема телефона. Укрепил антенну на крыше домика и уже через 10 минут на радость семье и на зависть соседям свободно общался по телефону.
Как говорится, вернемся к нашим баранам. Сначала воспользуемся автомобильной штыревой антенной ($5 - 10).
Здесь главное - не нарваться на слишком скверное качество. Имея Netmonitor, проверить антенну гораздо легче. При подключенной к телефону автомобильной антенне уровень сигнала должен увеличиться на 1 - 3 дБ (например, с -60 дБ до -57 дБ). В крайнем случае, сигнал должен остаться прежним. Если при подключении антенны сигнал уменьшится на 5 дБ и больше, лучше отказаться от покупки. Хочу заметить, что хорошая фирменная автомобильная антенна стоит от $40 и выше. Впрочем, и среди азиатских 10-долларовых изделий иногда встречаются неплохие вещицы.
Установленная на крышу вашего "домика в деревне", автомобильная антенна способна решить проблему со связью. Если усиления автомобильной антенны не хватает, можно обратиться к другим - например, к распространенной направленной антенне - волновому каналу. Он выглядит, как обычная телевизионная антенна, установленная на крыше дома.
Волновой канал позволяет получить реальное усиление до 7 - 15 дБ с оптимальной диаграммой направленности. Но у него есть недостаток - узкополосность. Разница между частотой приема и частотой передачи в GSM 900 составляет 45 МГц, а весь рабочий диапазон - 890 - 960 МГц (полоса в 70 МГц). Добиться линейной или близкой к линейной характеристики в таком широком диапазоне затруднительно. Поэтому желательно изготавливать волновой канал в зависимости от частоты оператора и конкретного места и в зависимости от ситуации сдвигать резонанс к частоте восходящего или нисходящего направлений. Для большей широкополосности следует использовать только петлевой вибратор, согласовывая его с кабелем - например, с симметрирующей петлей; также следует ограничиться небольшим количеством элементов, скажем, 3 - 12, так как если их будет больше, настроить антенну без оборудования будет трудно, кроме того, рабочий диапазон антенны сужается.
Мне приходилось иметь дело с множеством волновых каналов, изготовленных кустарно. Констатирую: в большинстве антенн коэффициент усиления составлял менее 7 дБ, некоторые имели резонанс на частотах 700 - 800 МГц вместо GSM-диапазона и коэффициент стоячей волны больше 3 (при передаче это может легко вывести из строя выходной каскад телефона). Профессионально изготовленные и настроенные самодельные антенны встречались редко.
Теперь на очереди - логопериодические антенны (их тоже можно отыскать на радиорынке). По сравнению с волновым каналом они имеют более широкий рабочий диапазон. Поэтому такие антенны менее критичны к точности изготовления и настройки. Реальный коэффициент усиления здесь достигает 10 - 14 дБ.
Теоретически при необходимости можно соединить 2 волновых канала, один - настроенный на частоту приема, другой - на частоту передачи, но это уже слишком сложная система.
Кабель и антенные переходники
В диапазоне 900 МГц вопрос выбора кабеля приобретает первостепенную роль. Отечественные телевизионные коаксиальные кабели можно использовать только ограниченно (затухание более 30 дБ на 100 м слишком велико). Из доступных импортных образцов подойдет RG6 - коаксиальный кабель с двойной оплеткой. Его вы найдете в любом магазине. Затухание составляет 20 - 24 дБ на 100 м (проверял экспериментально). Промышленные штыревые автомобильные антенны обычно включают в себя кабель RG59 с затуханием 28 дБ на 100 м. Антенна типа волновой канал с коэффициентом усиления 12 дБ и 10 м кабеля RG6U дают общее усиление 9,6 дБ, а при 20 м - 7 дБ.
На большинстве телефонов есть разъем для внешней антенны. Кроме того, для каждого типа телефона существует так называемый антенный переходник (около $5), он подключается к указанному разъему и представляет собой короткий кусок кабеля, с одной стороны которого находится специфический телефонный высокочастотный разъем, а с другой - стандартный ВЧ-разъем. Обычно затухание в антенном переходнике не превышает 1 дБ. Покупая антенный переходник, убедитесь в его дееспособности. При включении переходника в телефон встроенная в телефон антенна отключается и выходной каскад переключается на переходник. Иными словами, если вы просто подключаете переходник к телефону, сигнал на шкале телефона должен немного упасть. Потом вы подключаете внешнюю антенну к переходнику, и сигнал увеличивается. Если все идет именно так, значит, переходник работает.
Настройка антенны на местности
Так как антенны базовых станций GSM 900 имеют вертикальную поляризацию, волновой канал следует размещать вертикально. При юстировке антенн обратите внимание на то, что приемный уровень сигнала, отображаемый в телефоне, изменяется с задержкой до нескольких секунд, поэтому антенну следует поворачивать медленно и дискретно. Если вам известно направление на ближайший город, начните с него. Медленно поворачивайте антенну по горизонту. Если сигнал найден, ваша задача найти направление, откуда сигнал приходит с максимальным уровнем. Если сигнала нет, медленно поворачивайте антенну по горизонту, пока он не появится. Помните, что каждый метр высоты установки антенны может оказаться решающим. Если сигнал не найден, попробуйте переместиться на несколько метров в сторону и поискать снова. Может быть, вам повезет.
Нежелательно использовать кабель между антенной и телефоном длиной более 30 м: в этом случаи практически весь сигнал теряется в кабеле.
В последнее время в России значительно увеличилась зона покрытия сетями стандарта GSM 900. Тем не менее ситуация далека от идеальной.
А как было бы замечательно выехать на рыбалку, охоту, в деревню, не теряя связь с внешним миром!
Справка
Говоря совсем просто, мобильный телефон представляет собой дуплексную радиостанцию, ведущую радиообмен на разных частотах. Всего в стандарте GSM 900 124 частоты. Телефон, как и базовая станция, может работать на любой частоте, определяемой оператором.
Дальность связи
На дальность радиосвязи влияют следующие факторы:
Местоположение BS и MS и рельеф местности.
Мощность и чувствительность MS.
Мощность и чувствительность BS.
Используемые на MS и BS антенны.
Чувствительность телефона в основном определяется технологиями, используемыми при создании малошумных входных устройств. Если в зонах уверенного приема разница в чувствительности и мощности между моделями практически незаметна, то в зоне неуверенного приема она может стать критической.
А по мощности проходят все старые телефоны, особенно Motorola. Все телефоны фазы 2 имеют примерно одинаковую мощность.
Поиск сигнала
Итак, вы выбрались за город и хотите обеспечить себя связью. Поднимитесь на крышу, чердак или на самую высокую точку рядом с домом или нужным вам местом.
В последнем случае попытайтесь договориться с продавцов о возврате антенны, если эксперимент провалится.
Уже на данном этапе понятно, что при выборе типа антенны и ее параметров желательно учитывать данные оператора и условия приема.
В зонах неуверенного приема часто наблюдается интерференция (помехи) между каналами с одинаковыми и соседними частотами.
Такие частоты создают взаимные помехи, мешающие связи, а при определенных уровнях сигналов связь становится и вовсе невозможной.
С подобной проблемой я столкнулся на даче, которая отделяется от крупного города довольно-таки открытым пространством. Телефон принимал соседние частотные каналы с уровнями 70 дБ, 73 дБ и 72 дБ, но качество связи оставляло желать лучшего.
Тем не менее, если в вашем телефоне отсутствует Netmonitor, можно использовать внешнюю направленную антенну с хорошей диаграммой направленности. Остается только сделать правильный выбор.
Выбор антенны
Как уже говорилось, увеличить дальность и качество связи позволяют именно внешние антенны. Для телефонов в основном используются внешние штыревые и логопериодические антенны, а также антенны типа волновой канал.
Повторим, что в Западной Европе отсутствуют зоны неуверенного приема. Поэтому направленные антенны для терминалов GSM 900 практически не выпускаются.
Если производитель и предлагает направленную фирменную антенну GSM 900, она, как правило, предназначена для работы с ретрансляторами (репитерами) операторов.
В СНГ и Восточной Европе направленные антенны изготавливаются кустарным способом. Кроме того, есть не- большие заводики в Чехии, Польше и Прибалтике.
Рис. 1. Вертикальный диполь
Зачищаем c одного конца белый телевизионный кабель RG6U. Получаем центральный проводник и оплетку кабеля. К центральному проводнику припаиваем медный провод любой толщины длиной около 8,2 см (для диапазона 900 МГц) и крепим его вертикально вверх. К оплетке припаиваем второй кусок провода такой же длины и крепим его вертикально вниз (рис. 1).
Ну вот, за 5 минут мы соорудили примитивную антенну, не уступающую по параметрам китайским автомобильным.
Приведу историю из жизни. Приехав прошлым летом на отдых в Крым, я обнаружил, что на базе обещанного оператором уверенного покрытия нет. Это означало, что я пропущу очень важный звонок.
Уверенный сигнал обнаружился на крыше коттеджа, но перспектива просидеть там две недели меня не вдохновила. За 5 минут я нашел кусок нужного провода (вместо медного использовал алюминиевый).
Еще 10 минут ушло на то, чтобы отыскать у соседей 5-метровый кусок телевизионного кабеля.
Nokia 7110 имеет механический коммутатор для внешней антенны, поэтому я просто воткнул центральный проводник кабеля прямо в разъем телефона, а оплетку кабеля соединил с металлическим ободком внешнего разъема телефона. Укрепил антенну на крыше домика и уже через 10 минут на радость семье и на зависть соседям свободно общался по телефону.
В крайнем случае, сигнал должен остаться прежним. Если при подключении антенны сигнал уменьшится на 5 дБ и больше, лучше отказаться от покупки. Хочу заметить, что хорошая фирменная автомобильная антенна стоит от $40 и выше.
Впрочем, и среди азиатских 10-долларовых изделий иногда встречаются неплохие вещицы.
Добиться линейной или близкой к линейной характеристики в таком широком диапазоне затруднительно. Поэтому желательно изготавливать волновой канал в зависимости от частоты оператора и конкретного места и в зависимости от ситуации сдвигать резонанс к частоте восходящего или нисходящего направлений.
Мне приходилось иметь дело с множеством волновых каналов, изготовленных кустарно.
Кабель и антенные переходники
На большинстве телефонов есть разъем для внешней антенны.
Настройка антенны на местности
Итак, вы купили антенну и подключили ее к кабелю и к телефону. Поднялись на высокую точку и приступили к настройке антенны. Разместите телефон так, чтобы был виден экран.
Как уже говорилось, при настройке антенны с аппаратами Nokia лучше всего использовать функцию Netmonitor.
Так как антенны базовых станций GSM 900 имеют вертикальную поляризацию, волновой канал следует размещать вертикально.
При юстировке антенн обратите внимание на то, что приемный уровень сигнала, отображаемый в телефоне, изменяется с задержкой до нескольких секунд, поэтому антенну следует поворачивать медленно и дискретно. Если вам известно направление на ближайший город, начните с него.
Медленно поворачивайте антенну по горизонту. Если сигнал найден, ваша задача найти направление, откуда сигнал приходит с максимальным уровнем. Если сигнала нет, медленно поворачивайте антенну по горизонту, пока он не появится.
Помните, что каждый метр высоты установки антенны может оказаться решающим. Если сигнал не найден, попробуйте переместиться на несколько метров в сторону и поискать снова. Может быть, вам повезет.
Нежелательно использовать кабель между антенной и телефоном длиной более 30 м: в этом случаи практически весь сигнал теряется в кабеле.
| Номер элемента | Общая длина вибраторов (мм) | Расстояние от предыдущего элемента (мм) | Расстояние от конца бума (мм) |
| 5 | 176 | 0 | 44 |
| 4 | 141 | 51 | 95 |
| 3 | 113 | 40 | 135 |
| 2 | 60 | 32 | 168 |
| 1 | 72 | 26 | 194 |
Рис. 2. Логопериодическая антенна
Самодельная логопериодическая антенна для GSM модема. Изготовление и подключение
Мы живем на краю маленькой деревни. Столкнувшись с необходимостью интернета дома, стали изучать, что в этом смысле предлагает современная инфраструктура. Оказалось, что самым доступным и простым способом подключиться к всемирной паутине, является GSM модем, недорогие варианты которого, частенько обзывают USB-свистком.
Такой модем недорого стоит, широко распространён и неплохо работает, но, только в зоне уверенного приёма сигнала, базовой станции сети сотовой связи. В городе – будьте любезны, а вне его, сильно зависит от того насколько развита мобильная сеть. Часто для модема требуется хорошая внешняя антенна поднятая на некоторую высоту.
Модели устройств с разъемами для подключения внешней антенны, считаются неким, профессиональным связным устройством и стоят раз в десять дороже. Для работы понадобится минимальный набор радиомонтажного и слесарного инструмента, толика терпения. Для работы с мелочью очень полезны специальный козырёк с увеличительными стеклами или лампа с ними же. Позаботьтесь о хорошем освещении.
Однако и в простом «USB свистке» внутри корпуса есть технологический разъем для антенны и можно задействовать его. В некоторых модемах есть доступ к антенному разъему, в некоторых нет, в последнем случае придется дорабатывать пластиковый корпус, соответственно аннулируется гарантия устройства.
Антенный разъем бюджетного модема весьма хлипок по конструкции и установлен прямо на печатной плате методом поверхностного монтажа. То есть держится только за пайки. К нему следует подключать только достаточно тонкий (гибкий) коаксиальный кабель, иначе высока вероятность толстым и жестким кабелем сломать разъем.
Такой переходник позволяет решить проблему механической нагрузки на слабый разъем, но мы оказываемся привязаны к специфическому разъему на выходе переходника, что в случае самодельной антенны неразумно, к тому же, в продаже такие переходники встречаются крайне редко. Стоит помнить и о том, что каждый дополнительный разъем, даже каждая пайка на кабеле, вносит затухание на ВЧ.
Мой вариант соединения – в магазине подобрался довольно гибкий телевизионный кабель – без экрана из фольги, центральная жила медная (хорошо паяется) и многожильная (гибкая). Подключение выглядело вот так. К центральной жиле припаян отрезок медного толстого луженого провода (ножка резистора). Толщина его такова, что он плотно заходит в гнездо. Место разделки изолировано термотрубкой.
Штырек вставлен до упора в разъем и скрученная и луженная оплетка кабеля припаяна к «земле» антенного гнезда. Место пайки изолировано, а главное – тонкое место на кабеле усилено несколькими слоями термотрубки. Теперь остается примерить и при необходимости подпилить пластиковый корпус, чтоб закрывался как положено, с нашей доработкой. Обращаться придется осторожно. Все, модем подключен.
Переходим к расчету и изготовлению антенны. Тип антенны, выбран «логопериодическая», принятая зарубежная аббревиатура – LPA-антенна. Ее особенности – высокий коэффициент усиления и весьма узкая (острая) диаграмма направленности. Кроме того, при достаточно аккуратном изготовлении, антенна не потребует настройки, которую невозможно осуществить без специализированных ВЧ измерительных приборов.
Рассчитать нашу антенну можно в одном из сетевых сервисов, найдя его по ключевым словам, либо в специальной программе, например Logo_Periodic_Calculate ее можно найти здесь. Подготавливаем необходимые материалы и инструменты.
Следует помнить, что мы имеем дело с ВЧ с его скин-эффектом (распространение токов в тонком поверхностном слое), в этом смысле, не следует допускать «холодных паек» и сильно поцарапанных поверхностей. Хороший тон – применение специального флюса с глицерином для получения зеркальной поверхности паек.
Теперь, нужно готовые «бумы» жестко закрепить друг напротив друга на расчетном расстоянии и замкнуть перемычкой задние части. К передним концам подключается коаксиальный кабель – к одному концу центральная жила, ко второму экранирующая оплетка. Моё исполнение антенны – на полипропиленовой трубе.
Подходящий кусок трубы был опилен на циркулярной пиле для получения плоских площадок, удобных для крепления половин «бума». Они крепились при помощи липкой ленты. Сзади антенны место для модема – первоначально было решено максимально укоротить антенный кабель, модем расположить около антенны и снижение выполнять уже «цифровым».
Пластиковая труба взята несколько большей длинны, для получения удобной диэлектрической «ручки».
Другой ракурс антенны, видны посадочные места половинок бума, подключение кабеля. Рекомендую познакомиться с несколько другой, возможно, более удачной конструкцией антенны.
Готовая антенна для проверки работоспособности была вынесена на улицу и закреплена на конце длинной лестницы проволокой. Из-за неудобства ориентирования, пришлось изготовить поворотный узел. Немного слесарных работ, обрезки нержавеющей стали, сварочные работы.
Поворотный узел вышел несколько громоздким, но в отличии от аналогичного узла спутниковой тарелки позволяет ориентировать антенну значительно более точно. Узел поворота приварен к пластине крепления под углом чуть более 90 градусов (чтоб стекала вода). Во время работы закончились нержавеющие электроды, пришлось использовать обычные – отсюда покрашенные сварочные швы.
На фото выше, узел, отработавший на крыше в разных местах, с разными антеннами, около двух лет и в целом показавший себя надежным и удобным. На фото антенна с USB модемом установлена на фронтоне крыши. Углы поворота позволяют ориентировать антенну на вышку сотовой связи в соседней деревне (
5км). В герметичной коробке рядом с антенной, модем и блок питания модема.
В целом вся схема соединений выглядит так. Проблема длинных USB соединений – в падении напряжения питания на длинных и относительно тонких проводах питания (принцип работы устройства через порт USB – в том числе и питание устройства от самого порта).
В разумных пределах удлинить USB кабель, можно двумя способами – увеличить сечение (уменьшить сопротивление) проводников питания или питать устройство от своего близко расположенного блока питания. Цель обоих способов – чтобы на нашем устройстве напряжение питания было возможно более близко к пяти вольтам. Плюс.
Изготовление и испытания еще двух типов антенн, будут описаны отдельно. Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.
Читайте также: