3G антенна: виды и характеристики

Распространение устройств, которые поддерживают возможность приема сигнала 3G интернета, привело к тому, что операторы постоянно увеличивают зону покрытия. Однако замечено, что на больших расстояниях от населенных пунктов сигнал не всегда отличается хорошим качеством. Похожая ситуация возникает даже в городах, где высока плотность размещения базовых станций. Здесь мешающим фактором является наличие плотной застройки, поскольку любые конструкции, особенно из железобетона, являются препятствием для распространения радиоволн диапазона 3G. С целью увеличения уровня сигнала и разграничения его от помех могут применяться различные типы антенн, которые работают одновременно на прием и передачу информации.

3G антенна

Типы антенн

Большинство устройств для работы с три джи имеют в своем составе внутреннюю антенну, иногда не выходящую за габариты устройства и полностью спрятанные в корпусе. Таким антеннам присущ тот недостаток, что из-за требований к габаритам они выполнены с гораздо меньшими размерами, чем необходимы для нормальной работы. Как следствие, усиление таких антенн минимальное, и устройства удовлетворительно работают только в зоне уверенного приема.

Внутренняя антенна USB модема

Наружные антенны выполняются в строгом соответствии с теорией антенн, которая оговаривает зависимость геометрических размеров от частоты, то есть длины волны сигнала. Внешняя антенна для 3g модема должна соответствовать таким требованиям:

• механическая прочность;
• малая парусность (сопротивление ветру);
• стойкость к внешним условиям (повышенная влажность, перепады температур).

Вынос антенны за пределы здания позволяет избавиться от затуханий и отражений, вносимых стенами, перегородками, потолками, мебелью и т.д. Однако нельзя бесконтрольно увеличивать длину кабеля от антенны к модему, поскольку кабель также вносит значительное затухание в сигнал. Особенно это относится к недорогим широко распространенным кабелям. Можно найти кабель с малым значением затухания, но его цена растет в геометрической прогрессии по сравнению с характеристиками.

Разновидности

Принцип работы у всех антенн один, но конструктивно они кардинально различаются друг от друга, как и их технические характеристики.

Встречаются следующие конструкции приемно-передающих устройств:

• волновой канал;
• штыревая;
• зигзаг (антенна Харченко);
• плоскостная (панельная);
• пленочная.

Наиболее высокие параметры имеет антенна типа «волновой канал». Ее коэффициент усиления самый высокий среди всех известных антенн, за исключением параболических (пример – спутниковые антенны) и увеличивается с увеличением количества активных элементов. Обратная сторона медали: чем больше элементов, тем выше требования к точности изготовления.

Выносная антенна волновой канал имеет самую острую диаграмму направленности, которая также заостряется с ростом количества элементов. С одной стороны, это позволяет лучше настроиться на базовую станцию и уменьшить уровень помех, с другой – возрастают требования к жесткости конструкции, поскольку малейшее отклонение от заданного направления под действием ветра или иных факторов приведут к уменьшению уровня сигнала вплоть до его полного пропадания.

Волновой канал

Всенаправленная штыревая антенна 2g или 3g выполнена в форме вертикального штыря и напоминает обычную антенну для автомобильной магнитолы с тем отличием, что у нее гораздо меньшие геометрические размеры. Антенна обладает круговой диаграммой направленности, поэтому не нуждается в настройке. Такая особенность штыревой антенны, несмотря на невысокий коэффициент усиления, привела к ее широкому использованию на транспорте.

Штыревая антенна

Зигзагообразная антенна, иначе называемая антенна Харченко, представляет собой отрезок проводника, выполненный в форме горизонтальной восьмерки (или знака бесконечности). Антенна имеет диаграмму направленности также в форме восьмерки с двумя ярко выраженными лепестками. Для уменьшения одного из лепестков и улучшения направленности антенна Харченко обычно выполняется с рефлектором, расположенным позади на определенном расстоянии.

Антенна Харченко

Имея небольшие габариты по сравнению с волновым каналом, зигзагообразная антенна наиболее проста для повторения и имеет прогнозируемые параметры. Данная конструкция легко помещается в герметичный корпус и может использоваться при любых условиях эксплуатации.

Панельная антенна

Данная разновидность представляет собой металлические пластины строго определенного размера и конфигурации, размещенные на некотором расстоянии от плоского рефлектора. В некоторых случаях могут выполняться путем травления ненужных участков медной фольги на фольгированном стеклотекстолите. Такие антенны имеют превосходные механические характеристики. К сожалению, в широком доступе отсутствует методика расчета и размеры элементов. По габаритам уличные панельные антенны такие же, как и зигзагообразные, но, не разобрав корпус, нельзя сказать, что находится внутри. Производители не затрагивают этот вопрос и предоставляют потребителю только технические характеристики.

Панельная антенна

Встречаемые в сети самодельные панельные антенны частью скопированы с заводских, частью являются плодом фантазии авторов. Разновидностью панельных антенн являются те, которые размещаются в корпусах модемов или телефонов в качестве внутренних. Имея размеры, уменьшенные относительно номинальных, они дают невысокое качество работы.

Частотный диапазон

Выбирая антенну, нужно иметь в виду частоту, на которой оператор (Билайн или МТС) ведет вещание. Для России, к примеру, они таковы:

• Для стандарта UMTS: uplink – 1920-1980 МГц (880-915 МГц), downlink – 2110-2170 МГц (925-960 МГц);
• Для стандарта CDMA: uplink – 453-457.5 МГц, downlink – 463-467,5 МГц;
• Для стандарта 4G: uplink – 2500-2570 МГц, downlink – 2620-2690 МГц.

Разговор о частотах зашел потому, что размеры антенны, ее характеристики, напрямую зависят от значения частоты. Универсальные антенны обладают посредственными качествами и не могут рекомендоваться для эксплуатации.

Нормальной работы оборудования можно добиться только в том случае, когда антенна рассчитана на определенную частоту. Как видно, частоты приема и передачи в пределах одного стандарта несколько различаются, но в сейчас это не очень существенная разница. В любом случае антенна должна быть одна (исключение – антенна MIMO, но речь не о ней). Поэтому с некоторой универсальностью нужно смириться.

Самодельная антенна

Для изготовления антенны 2g или 3g лучше всего воспользоваться методикой изготовления зигзагообразной конструкции. Как сделать антенну такого типа рассказано не один раз, что говорит о том, что она отличается хорошей повторяемостью и может быть пересчитана на любой диапазон частот.

Материалы и инструменты для работы:

• Отрезок медного провода диаметром 2.5 ± 0.5 мм. Провод иного диаметра брать нежелательно, поскольку придется пересчитывать геометрические размеры конструкции;
• Тонкий антенный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. Распространенный телевизионный кабель имеет сопротивление 75 Ом и в данном случае неприменим;
• Ровная металлическая пластина или кусок фольгированного стеклотекстолита;
• Тонкостенная стальная или медная трубка с внутренним диаметром, как у антенного кабеля;
• Разъем, соответствующий разъему на модеме;
• Пассатижи;
• Бокорезы;
• Паяльник с материалами для пайки (припой, флюс).

Общая длина отрезка медного провода должна в точности равняться удвоенной длине волны принимаемого сигнала, но, поскольку частоты приема и передачи разные, нужно ориентироваться на средние значения.

Зная частоту сигнала, можно определить длину волны по простой формуле:

λ=300000/f, где

• λ – длина волны в миллиметрах,
• f – частота в МГц.

К примеру, для частоты 2045 МГц длина волны будет составлять 146 мм. Получается, что периметр каждого из квадратов должен иметь такую же длину, а длина каждого из отрезков антенны будет составлять 1/4 длины волны, то есть 36.5 мм.

Заготовка из провода

Центральную часть антенны и концы провода нужно заранее облудить.

Провод сгибается под углом 90 градусов строго в одной плоскости, как показано на рисунке.

Теперь можно изготовить рефлектор. Он выполняется в виде прямоугольника, размеры которого должны на пару сантиметров быть больше размеров антенны. По центру рефлектора нужно просверлить отверстие с диаметром, равным диаметру втулки.

Втулку удобно использовать от старой телескопической антенны от радиоприемника, в крайнем случае, согнуть на подходящей оправке из отрезка луженой жести или латуни.

С одного края втулку нужно сточить, как показано на рисунке. Трубка должна входить в отверстие плотно, но с таким расчетом, чтобы ее можно было двигать, подбирая расстояние между антенной и рефлектором. После окончания настройки трубку нужно припаять к рефлектору.

Чертеж трубки

Антенный кабель разделывается с одного из концов таким образом, чтобы можно было припаять антенну к оплетке и центральной жиле (достаточно, чтобы жила выходила из изоляции на 2-3 мм).

Когда все готово, можно приступать к окончательной сборке получившейся конструкции. Вставляем трубку в рефлектор. В трубку продеваем разделанный конец кабеля, чтобы центральная жила и конец трубки находились на одной высоте. Теперь нужно припаять проволочную антенну к трубке и кабелю. Можно сделать так, как показано на рисунке.

Запайка кабеля

Центральная часть припаивается к трубке и экранирующим проводам кабеля, а концы согнутой антенны – к центральной жиле.

Если антенну предполагается использовать на открытом воздухе, то ее надо заключить в герметичный корпус подходящих размеров из пластика. Вывод кабеля нужно загерметизировать.

На противоположном конце кабеля припаивается разъём, или он заводится непосредственно в модем, если конструкцией не предусматривается подключение внешней антенны.

Таким же образом выполняется антенна 2g.

Крепление и настройка

3g антенна должна располагаться перпендикулярно уровню земли, а положение «восьмерки» быть горизонтальным. Далее антенну нужно направить в сторону базовой станции. Поворачивая антенну вдоль вертикальной оси в направлении базовой станции, нужно найти положение, соответствующее максимальному уровню сигнала. Теперь все нужно хорошо закрепить, и все работы по установке направленной антенны 3g закончены.

Если качество сигнала все равно является неудовлетворительным, то требуется направленная антенна технологии 3g.

Модем 3G

Выбирая модем 3G для своего компьютера, в первую очередь нужно ориентироваться на частотный диапазон, который будет использоваться. Многие модемы рассчитаны на работы в нескольких стандартах, что позволяет менять оператора при необходимости.

По конструктивному исполнению можно выбирать между простыми, которые используют для подключения USB порт компьютера или со встроенным роутером и Wi-Fi модулем для беспроводного интернета. Последние имеют высокую стоимость, но оправданы тем, что рассчитаны на одновременное подключение нескольких устройств, в большинстве случаев допускают подключение внешней антенны, а наиболее продвинутые устройства имеют экран для удобства настройки и регулировки. USB модем внешне напоминает обыкновенную флешку и имеет внутри небольшую встроенную антенну.

USB модем

Только некоторые модели предусматривают подключение внешней антенны и снабжены разъемами. Остальные требуют разборки корпуса и вмешательства во внутренности устройства. Подобные работы желательно доверить опытному электронщику, у которого есть необходимые инструменты и оборудование для работы.

Модем с дисплеем

Мифы

На просторах интернета можно встретить множество самоделок, призванных, якобы, улучшить качество приема сигналов 3G, 4G или LTE. Встречаются конструкции из пивных или консервных банок, CD дисков, антенны с рефлекторами из кастрюль, дуршлагов и многое другое. Подобные конструкции служат только для того, чтобы показать, на что способны некоторые умельцы, но на деле польза от них приближается к нулю. Как уже было сказано выше, для нормальной работы внешняя антенна для 4G модема должна выполняться со строгим соблюдением геометрических размеров в соответствии с частотным диапазоном. И если подобная самодельная антенна 2g или 3g из разряда «очумелые ручки» покажет какой-либо положительный результат, то это свидетельствует только лишь в пользу теории вероятности и не может быть рекомендовано для повторения тем, кто хочет добиться прогнозируемого результата.

Видео