Привет. В этот раз мы решили написать статью об антеннах, в контексте антенн для USB-модемов. Расскажем о том, какие они бывают, почему так выглядят, какие проблемы решает каждая из антенн.
Мы учли пожелания в комментариях к предыдущей публикации о том, чтобы писать «проще», в то же время мы не можем не использовать технические описания и терминологию. Надеемся, что у нас получился нужный баланс удобного и одновременно полезного содержания.
Периодически, на электронную почту завода приходят вопросы вроде: «Почему купленная мною 3G антенна не ловит LTE?», или «Вскрыл вашу антенну — одни железки/фольга, где же усилитель?» и много других вопросов.
Было решено написать статью в том числе для ответов и на такие вопросы. Цель материала — показать, как работают такие антенны на примере собственных изделий и помочь выбрать нужную антенну для приема интернет-сигнала именно в вашей ситуации.
Вступление
Антенны являются неотъемлемой частью любого устройства беспроводной связи. Из-за тренда к уменьшению габаритов устройств потребительской электроники, к антеннам, предъявляются жесткие требования. Под антенну на печатной плате выделяется небольшой участок (10% и менее от площади платы). Иногда и вовсе используются антенны на гибких печатных платах — FPCB, что позволяет компоновать устройство не только в плоскости, но и в объеме корпуса. Бывает, инженеры просто размещают «закорючку» на плате (например, PIFA-антенна), отвечающую за работу устройства в 2G, 3G, 4G сетях. Такая антенна — ненаправленная, с минимальным коэффициентом усиления, её эффективность мала.
Да, подобные технические решения ориентированы преимущественно на работу устройства в зонах уверенного приема сигнала. Но, иногда мы оказываемся в зонах с плохим покрытием, где встроенной антенны недостаточно. В таких случаях может выручить внешняя антенна.
В зависимости от используемого устройства (смартфон, планшет, модем), понадобится антенна, функционал которой реализован под конкретное устройство. О системах усиления интернет-сигнала Orange-900 и Orange-2600, улучшающих качество связи смартфона/планшета, мы говорили ранее. Теперь мы рассмотрим способы усиления сигнала мобильного интернета модема, на примере нескольких классических вариантов антенн.
Антенны-отражатели
Взгляните, как излучает (принимает сигнал) модем в 4G-диапазоне:
Рис. 1 — Компьютерная симуляция 3D диаграммы направленности 4G-модема (f=2.6GHz)
На Рис. 1 изображена 3D диаграмма направленности модема на рабочей частоте 2.6 GHz (сеть 4G). Давайте рассмотрим её подробнее. Как видим, встроенная антенна модема излучает вокруг на 360 градусов по горизонту с небольшим собственным усилением. Перекос излучения по горизонту обусловлен конструкцией антенны модема — за основу взята модель антенны одного из ранее популярных модемов, для наглядности помещенная в радиопрозрачный корпус.
К плюсам кругового излучения относится тот факт, что пользователю не надо искать направление на БС — модем сам выберет нужную ему БС. Однако, ведя прием со всех направлений, помимо полезного сигнала, такая антенна примет помехи и шумы других передатчиков, что ухудшит соотношение полезный сигнал/шум (S/N). Это соотношение влияет на «пинг» и скорость соединения: чем оно больше, тем меньше «пинг» и выше скорость обмена данными.
Для того, чтобы повысить соотношение S/N модема можно использовать усилитель интернет-сигнала Connect 3.0 — это двухэлементная антенна, состоящая из рефлектора и активного элемента (модема, который вставляется в специальный держатель). Самого усилителя (если под усилителем понимать активное устройство) здесь нет, как и в любой пассивной антенне, однако, говоря об усилении, в первую очередь мы говорим о направленных свойствах антенны, и чем ярче они выражены, тем больше подобного «усиления» придает антенна.
Для базовой настройки достаточно направить усилитель с модемом в сторону лучшего уровня сигнала в помещении (как правило это окно) и качество соединения улучшится. В компьютерной модели это происходит так.
Рис. 2 — Компьютерная симуляция 3D диаграммы направленности 4G-модема
в усилителе Connect 3.0 (f=2.6GHz)
На Рис. 2 излучение модема в направлении от Connect 3.0 теперь выражено сильнее, причем красный цвет (максимум излучения) стал ярче, что говорит о приобретенной направленности (усилении). Справа на картинке приведена цветовая шкала усиления, по которой можно представить в каком направлении излучение модема максимально.
С помощью рефлектора Connect 3.0, встроенная антенна модема приобрела направленные свойства, в результате чего возросло собственное усиление антенны 6.5 dBi (1 dBi — децибел относительно изотропного источника излучения), а вход модема стал менее подвержен шумам и наводкам, что повышает соотношение S/N и улучшает качество интернет-соединения.
Важно: у модемов разных моделей антенны совершенно по-разному размещены, их конструкции различны, поэтому эффект усиления может быть различным в количественной мере, однако, диаграмма направленности во всех случаях будет принимать схожий вид, что важно для улучшения соотношения S/N.
Такой отражатель вы можете собрать и настроить самостоятельно, например, из обычной пивной банки. Это любопытно для любителей DIY, и, да, она тоже будет работать в сторону усиления. Одно «но» — пивная банка не всегда эстетично и презентабельно смотрится дома, в офисе, в магазине.
Небольшой FAQ по антеннам-отражателям:
Вопрос: В технических характеристиках вы пишете что антенна поддерживает практически все стандарты связи — как возможно достигнуть такой широкополосности?"
Ответ: поскольку Connect 3.0 — это двухэлементная антенна, активным элементом которой является модем, все зависит от того — поддерживает ли модем нужный стандарт. Размеры и расположение рефлектора, скрытого в пластиковом корпусе Connect 3.0, позволяют антенне оказывать положительный эффект в таком широком диапазоне частот.
Вопрос: «Почему антенна стоит именно столько (подставьте здесь любую цену)? Продавать за такие деньги штампованный пластик и фольгу — обман»
Ответ: Несмотря на относительную простоту конструкции — антенна работает, выполняет заявленную функцию, что подтверждено сотнями тысяч выпущенных изделий и множеством положительных отзывов от наших клиентов. Мы считаем неправильным обсуждать вопрос экономики и расчета стоимости данного изделия, опираясь лишь на цены материалов, входящих в его стоимость. К сожалению, присутствует множество факторов конечного ценообразования, часто не зависящих от нас.
Антенны направленного действия.
Бывают ситуации, когда решения уровня «Connect 3.0» недостаточно, чтобы «дотянуться» модемом до сигнала БС на расстоянии в несколько километров. Здесь нам помогут направленные антенны типа «волновой канал» и панельные патч-антенны. Эти антенны имеют отличные приемные характеристики в рабочем диапазоне и помогут наладить стабильную связь в условиях слабого приема сигнала (конечно, если он есть вообще).
Современные сети 2-4 поколений используют широкий диапазон частот: от 800 до 2700 МГц, который перекрыть одной направленной антенной с одинаковыми параметрами во всей рабочей полосе очень сложно, но этого и не надо. Нужно лишь правильно выбрать антенну под свою ситуацию, понимая, что если у вас 3G-антенна, то она не поможет, если вы захотите поймать WiFi-сеть или, например, сеть LTE-2600.
Стоит уточнить: из-за специфики частотного распределения, в России есть участки диапазонов, в которых размещены сети разных поколений (принцип технологической нейтральности), как например GSM 1800 (2G) и LTE 1800 (4G), для которых подойдет одна и та же антенна на 1800 МГц, но таких примеров немного.
Рис. 3 — 3G/4G/WiFi панельная антенна «Flat Combi»
Когда нужнее панельная антенна, а когда необходима антенна типа ’’волновой канал’’? У панельной антенны (Пример на Рис.3) широкий рабочий диапазон частот и её проще настроить на базовую станцию. Антенна «Волновой канал» (Пример на Рис.4) более узкополосная — обычно они хорошо работают в одном диапазоне (2G, 3G, 4G), но имеют большее усиление. Панельные антенны менее подвержены механическим повреждениям и «атакам ворон» в виду своей обтекаемой формы. А «волновые каналы», благодаря своей узкополосности менее подвержены наводкам и помехам от других источников сигнала, что положительно сказывается на отношении S/N. Антенны комплектуются разъемами SMA, N или FME, поэтому чтобы подключить их к модему, надо использовать переходник на CRC-9 или TS-9 разъем, в зависимости от модема.
Теперь обсудим расположение наружных антенн. В сетях 3G используется вертикальная поляризация, антенны следует располагать элементами перпендикулярно земле. Об этом написано в паспорте продукта и на сайтах производителей, но не все читают инструкции, поэтому нередко устанавливают связные антенны, как традиционные телевизионные — горизонтально. Результат — антенна в таком положении или вовсе не работает, или почти не работает.
Стандарт 4G/LTE имеет другую поляризацию. Для лучшего приёма антенну стоит располагать под углом 45 градусов к горизонту.
Вопрос: Поддерживают ли подобные антенны технологию MiMo?
Ответ: Поддерживают. Для работы с технологией MiMo вам понадобятся 2 антенны. Например, для поддержки LTE MiMo рекомендуем использовать 2 волновых канала, расположенных под углами +45 и −45 градусов к горизонту.
Рис. 4 — Антенна «волновой канал» для 4G сетей «Рысь 4G»
Заключение.
Выбирая антенну, определитесь с тем, какой именно сигнал хотите усилить. Для наглядности мы приведем сводную таблицу с характеристиками рассматриваемых антенн:
Благодарим за внимание. До встречи в новых статьях и обзорах!
Автор: РЭМО
