В настоящее время многие пользуются интернетом LTE. Однако, если в крупных городах уже нет проблем с покрытием сети и скоростью интернета, то в пригородах абоненты сталкиваются с проблемой слабого приема. Причиной этого является не только непосредственно слабый сигнал, но и возникновение множества переотражений сигнала по пути от базовой станции (БС) к абоненту. В данной статье описывается разработка смарт-антенны, которая адаптируется к условиям приема сигнала.
В интернете есть много предложений о продаже внешних антенн для подключения к 4G-модемам. И хотя мобильные операторы не рекомендуют этого делать и даже грозят снятием модема с гарантии, так как разъемы на модемах считаются исключительно сервисными, внешние антенны продаются весьма неплохо. Несколько лет назад, когда появились первые модемы Wimax от Yota, которые выпускал Samsung, покрытие той сети было не очень хорошим даже в городе. Тогда же на рынке появились первые внешние антенны китайских и одного российского производителя – компании Резонанс. Стандарт Wimax сейчас сменил LTE, а портативные модемы продают все сотовые операторы. Рынок внешних антенн значительно расширился, в интернете можно найти десятки различных видов. Некоторые фирмы предлагают установку под ключ и создание целых систем для загородных домов, используя активные усилители и дополнительные антенны, устанавливаемые внутри дома для местной раздачи сигнала. Но для связи с базовой станцией в подавляющем большинстве случаев используются остронаправленные антенны, чаще всего печатные антенные решетки, имеющие ширину луча около 20 градусов как по азимуту, так и по углу места. Основная проблема направленных антенн в том, что они вручную один раз направляются на определенную БС и, в случае потери сигнала от этой БС, связь прервется. Решением это проблемы являются смарт-антенны, которые сами настраиваются на базовую станцию без всякого участия человека. Чаще всего они применяются для установки на автомобили и другие подвижные объекты (не в России) либо для создания временных каналов связи там, где это необходимо и нет никаких других способов быстро наладить связь.
Смарт антенны бывают двух типов: адаптивная и переключающаяся. Адаптивная антенна – это, фактически, антенная решетка с возможностью мгновенного синтеза лучей в произвольных направлениях. Переключающаяся антенна имеет несколько антенн в различных направлениях (обычно по кругу), и, смотря в каком направлении сигнал сильнее, та или иная антенна включается, остальные антенные неактивны и ждут либо изменения положения абонента, либо переключения на другую базовую станция, если сигнал от той стал по каким-то причинам сильнее. Таким образом, смарт-антенна отличается от известных систем тем, что адаптируется под изменяющиеся условия приема. Часто сигнал с разных базовых станций может отличаться в зависимости от времени суток или времени года. А еще, благодаря такому преимуществу такую антенну можно использовать, например, в походах или в домах на колесах.
Для того, чтобы проверить, как такая антенна будет работать в реальных условиях, коллектив авторов разработал максимально простую и дешевую смарт-антенну и провел полевые испытания.
Известно, что частотный диапазон, выделенный для LTE, составляет 200 МГц – то 2,5 до 2,7 ГГц. Чтобы наглядно в этом убедиться, к анализатору спектра была подключена всенаправленная антенна, сам анализатор был переведен в режим накопления и оставлен на достаточно долгое время. Результаты приведены на графике выше. Там же на график нанесены поддиапазоны различных операторов (информация о частотах операторов найдена на просторах интернета). Лишних комментариев не требуется, кроме того, что на графике также захвачены верхние каналы Wi-Fi.
Предлагаемая конструкция представляет собой барабан из 8 граней и включает в себя СВЧ-переключатель и плату управления. Каждая грань — это отдельная антенна, представляющая собой печатную решетку 4х1. Чтобы лучи не перекрывались, но и не возникало «слепых» зон, ширина луча по азимуту составляет 65 градусов и 19 градусов по углу места для достижения высокого усиления (получилось примерно 12 дБи). Для простоты изготовления в качестве подложки микрополосковых патчей был использован пористый, но достаточно жесткий утеплитель толщиной 5 мм. Диэлектрическая проницаемость такого материала близка к единице, а вносимые потери пренебрежимо малы, что было проверено на специально изготовленном одиночном патче. Полосковые линии, как и экраны антенн, были вырезаны из медной фольги, нанесенной на тонкий лавсан, и приклеены скотчем к подложке. Антенны были рассчитаны на частоту 2,6 ГГц, КСВ на центральной частоте получился близким к 1, по краям диапазона поднимался до 2, что вполне приемлемо для антенн связных устройств.
Отдельно был изготовлен восьмиканальный переключатель, подключающий вход модема к одной из восьми антенн, направленной на БС с наилучшим сигналом. В качестве управляемых элементов были использованы pin-диоды фирмы Infineon, а управлять ими, по замыслу авторов, должна плата контроля, которая, получая информацию от модема, выбирает, прием с какой стороны наилучший, и тот канал и включает. Такой опрос (проверка сигналов всех антенн) должен происходить несколько раз в минуту. Таким образом, при изменениях помеховой обстановки или силы сигнала от БС, смарт антенна может выбрать другое направление. На фотографиях ниже показаны переключатель и смарт-антенна со снятыми 2 полотнами.
Были проведены испытания смарт – антенны в Ленинградской области, там, где покрытие всех операторов достаточно слабое. Проверялись сигналы двух операторов – Мегафона и Теле2. Для тестирования был использован модем Huawei E8372, имеющий «законные» разъемы для подключения внешних антенн. С помощью speedtest.net были измерены скорости интернета обоих операторов без подключения антенны, а затем с антенной и переключением между всеми 8 сторонами. Результаты приведены на картинке ниже.
На карте нанесены положения ближайших базовых станций (согласно данным из интернета), а также видимая телефоном с SIM-картой Мегафона (приложением Network Cell Info, показывающее расположение текущей и нескольких близких БС). Линии «модем Мегафон» и «модем Теле2» показывают скорость интернета без подключения антенны, то есть при использовании всенаправленной антенны, встроенной в модем. Такая антенна принимает сигналы со всех сторон и видит не только сигнал напрямую от базовой станции (а может и вовсе не быть в прямой видимости), но и переотраженные сигналы со всех направлений. Направленная антенна, имеющая усиление в определенном направлении, будет работать эффективнее всенаправленной антенны, даже если сигнал той усилить с помощью усилителя, так как будет усилен еще и шум.
Линии «Мегафон» и «Теле2» демонстрируют скорость интернета с подключенной к модему антенной. Хорошо видно, что в определенных направления сигнал значительно ослаб, в других же усилился, что и говорит о пространственной селективности смарт-антенны. К сожалению, скорость интернета не является радиотехнической характеристикой, такой как мощность сигнала или отношение сигнал/шум, однако авторам не удалось получить от модема хоть какой-нибудь «служебной» информации от модема. Вероятно, софт других модемов может давать доступ к радиотехнической информации, но не наш.
На первом этапе интерес авторов вполне удовлетворен, в дальнейших планах добавление полосно-пропускающих фильтров после антенн для снижения помех от внеполосных сигналов, добавление двунаправленного малошумящего усилителя с разделением частот приема и передачи.
Автор: Антон Задорожный
