Антена для мобільного телефону

Останнім часом у Росії значно збільшилася зона покриття мережами стандарту GSM 900.Тем Проте ситуація далека від ідеальної. Якщо в європейських країнах проблема невпевненого прийому практично відсутня, то більшість вітчизняних користувачів частенько з нею стикаються – в заміських будинках, на дачах і т. д. А як було б чудово виїхати на рибалку, полювання, в село, не втрачаючи зв'язок із зовнішнім світом! Ключ до вирішення цієї проблеми – зовнішні спрямовані або ненаправлення антени. Правда, купити антену мало – необхідно її правильно встановити і налаштувати. Читачі, знайомі з радіоелектронікою, зможуть самостійно виготовити та налаштувати антену, що працює в стандарті GSM. Сьогодні ми розповімо про типи антен і про способи їх установки і налаштування.

Кажучи зовсім просто, мобільний телефон являє собою дуплексну радіостанцію, провідну радіообмін на різних частотах. Всього в стандарті GSM 900 124 частоти. Телефон, як і базова станція, може працювати на будь-якій частоті, яка визначається оператором. Базова станція (BS) передає, а телефон (MS) приймає на частотах 935,2 – 959,8 МГц. Мобільний телефон передає, а базова станція приймає на частотах 890,2 – 914,8 МГц. Канал від BS до MS називається Down Link, від MS до BS – Up Link. Більшість операторів використовують обмеження дальності роботи мобільного телефону від базової станції – 35 км, що обумовлено особливостями стандарту. Пояснимо, що в мережі стандартної конфігурації в одному частотному каналі формується 8 тимчасових інтервалів (тайм-слотів): один службовий, а сім – розмовні. Саме в цьому випадку максимальна дальність зв'язку на кожному каналі становить 35 км. Проте в GSM передбачена також нестандартна конфігурація стільники, при якій дальність зв'язку збільшується на 70 – 100 км (конфігурація Extended Cell). На жаль, при такій конфігурації кількість розмовних каналів зменшується до 2 – 3, що зменшує ємність мережі. Використовувати такий режим в місті і близько оператору не вигідно. Іноді цей режим використовується на морському узбережжі для створення прибережної зони покриття. Таким чином, якщо у вас телефон стандарту GSM 900, не намагайтеся встановити зв'язок, віддалившись від найближчої базової станції більше ніж на 35 км. Максимальна дальність зв'язку, досягнута мною, – 34 км. На дальність радіозв'язку впливають такі фактори:

Розташування BS і MS і рельєф місцевості.
Потужність і чутливість MS.
Потужність і чутливість BS.
Використовувані на MS і BS антени.
Воля Господа Бога (досвідчені зв'язківці жартують, що це – головне).

Зазвичай базові станції мають потужність 20 – 30 Вт. Антени застосовуються або штирові, або спрямовані. Чутливість базових станцій складає -100 дб – 115 дБ. Змінити або вплинути на всі ці параметри користувач, звичайно, не може. Вихідна потужність телефону становить 0,3 – 2 Вт, чутливість – 90 – 105 дБ. Чутливість телефону в основному визначається технологіями, що використовуються при створенні малошумних вхідних пристроїв. Якщо в зонах впевненого прийому різниця в чутливості і потужності між моделями практично непомітна, то в зоні невпевненого прийому вона може стати критичною. Найчастіше трубка показує рівень сигналу від базової станції 1 – 2 кубика (за шкалою), а встановити з'єднання не може: не вистачає потужності. І хоча стандартизація ETSI регламентує стандартні вихідні потужності для кожного класу телефонів, реальне значення може незначно коливатися. Гарною чутливістю відрізняються трубки SAGEM, Alcatel, Motorola. А по потужності проходять всі старі телефони, особливо Motorola. Всі телефони фази 2 мають приблизно однакову потужність. Що ж стосується рельєфу, то на рівній місцевості і по річці хвилі поширюються краще. Чим вище ви знаходитеся (в розумних межах), тим краще сигнал. Ліс часом "гасить" хвилі сильніше, ніж міська забудова.

Отже, ви вибралися за місто і хочете забезпечити себе зв'язком. Підніміться на дах, горище або на найвищу точку поруч з будинком або потрібним вам місцем. Якщо телефон ловить мережу, але на межі (або нестабільно), у вас є всі шанси виправити становище, використовуючи зовнішню антену. Якщо відстань до станції менше 30 км, а мережа не ловиться, також спробуйте застосувати антену. В останньому випадку спробуйте домовитися з продавців про повернення антени, якщо експеримент провалиться.

Якщо сигнал, хоч і дуже слабкий, був все ж спіймали, наберіть будь-який міський номер – для перевірки. Якщо при розмові чутність нормальна і співрозмовник не скаржиться на випадання шматків вашої промови, значить, енергетика обох ліній (UL і DL) збалансована і можна використовувати стандартну антену, налаштовану на середню частоту між частотами прийому і передачі. Якщо ж співрозмовник час від часу пропадає, необхідно "підсилювати" спадний напрямок від базової станції до вашого телефону. Можливо, варто пошукати телефон з кращою чутливістю. Але якщо погано чути вас, слід посилювати напрямок від вашого телефону до базової станції. Вже на даному етапі зрозуміло, що при виборі типу антени і її параметрів бажано враховувати дані оператора і умови прийому.

У зонах невпевненого прийому часто спостерігається інтерференція (перешкоди) між каналами з однаковими і сусідніми частотами. На жаль, частотний ресурс, виділений операторам GSM 900 в Росії, обмежений, з-за чого в зоні невпевненого прийому часто "видно" частоти від різних базових станцій з однаковими або сусідніми значеннями рівня сигналу. Такі частоти створюють взаємні перешкоди, що заважають зв'язку, а при певних рівнях сигналів зв'язок стає і зовсім неможливою. Якщо на екрані телефону фіксується сильний сигнал від базової станції, а встановити з'єднання не вдається або вдається, але мова весь час пропадає, значить, ви зіткнулися з "чужинцями". "Змусити" телефон обрати іншу частоту виходить далеко не завжди, проте спеціальна функція телефонів Nokia – Netmonitor – це зробити дозволяє.

З подібною проблемою я зіткнувся на дачі, яка відокремлюється від великого міста досить-таки відкритим простором. Телефон брав сусідні частотні канали з рівнями 70 дБ, 73 дБ і 72 дБ, але якість зв'язку залишало бажати кращого. Спас мене лише примусовий вибір іншого частотного каналу з меншим рівнем – 80 дБ. Однак при обмеженому частотному ресурсі навіть частотне перепланування мережі виручає далеко не завжди. Тим не менш, якщо у вашому телефоні відсутній Netmonitor, можна використовувати зовнішню спрямовану антену з хорошою діаграмою спрямованості. Залишається тільки зробити правильний вибір.

Як вже говорилося, збільшити дальність і якість зв'язку дозволяють саме зовнішні антени. Для телефонів в основному використовуються зовнішні штирові і логоперіодіческіе антени, а також антени типу хвильової канал. Повторимо, що в Західній Європі відсутні зони невпевненого прийому. Тому спрямовані антени для терміналів GSM 900 практично не випускаються. Якщо виробник і пропонує спрямовану фірмову антену GSM 900, вона, як правило, призначена для роботи з ретрансляторами (репітерами) операторів.

У СНД і Східній Європі спрямовані антени виготовляються кустарним способом. Крім того, є не-великі заводики в Чехії, Польщі та Прибалтиці. Проста автомобільна магнітна антена має посилення 1 – 3 дБ (1 – 2 кубики за шкалою телефону), хвильовий канал – 7 – 15 дБ (залежно від кількості елементів, якості збірки і настройки антени), що становить вже 2 – 3 кубики за шкалою, а логоперіодіческая антена – 7 – 12 дБ. Автомобільна антена являє собою вертикальний штир у 3 / 4, 1 / 2 або 5 / 8 довжини хвилі. Навіть проста автомобільна антена, піднята вище, може поправити ситуацію з невпевненою зв'язком. Справа в тому, що при розмові по телефону близько 10 – 20% енергії поглинається тілом користувача, тому, піднімаючи штиркової антену вгору, ви зменшуєте вплив на неї навколишніх предметів. Я сам спостерігав, як саморобні, напівхвильова і вертикальні диполя, підняті на 5 м, вирішували проблему зв'язку. Пояснимо, як такий диполь виготовляється.

Рис. 1. Вертикальний диполь
Зачищаємо c одного кінця білий телевізійний кабель RG6U. Отримуємо центральний провідник і оплітку кабелю. До центрального провідника припаюємо мідний дріт будь-якої товщини довжиною близько 8,2 см (для діапазону 900 МГц) і кріпимо його вертикально вгору. До оплітці припаюємо другий шматок дроту такої ж довжини і кріпимо його вертикально вниз (рис. 1). Отримуємо щось схоже на букву "Т", покладену набік. (У телебаченні використовується горизонтальна поляризація, а в GSM – вертикальна, тому потрібно саме такий диполь.) Інший кінець кабелю підключаємо через перехідник до телефону. Будьте уважні і не замкніть центральну жилу з оплеткой, інакше телефон може згоріти. Ну ось, за 5 хвилин ми спорудили примітивну антену, що не поступається за параметрами китайським автомобільним.

Наведу історію з життя. Приїхавши минулого літа на відпочинок до Криму, я виявив, що на базі обіцяного оператором впевненого покриття немає. Це означало, що я пропущу дуже важливий дзвінок. Впевнений сигнал виявився на даху котеджу, але перспектива просидіти там два тижні мене не надихнула. За 5 хвилин я знайшов шматок потрібного дроти (замість мідного використовував алюмінієвий). Ще 10 хвилин пішло на те, щоб відшукати у сусідів 5-метровий шматок телевізійного кабелю. Nokia 7110 має механічний комутатор для зовнішньої антени, тому я просто встромив центральний провідник кабелю прямо в роз'єм телефону, а оплітку кабелю поєднав із металевим обідком зовнішнього роз'єму телефону. Укріпив антену на даху будиночка і вже через 10 хвилин на радість родині і на заздрість сусідам вільно спілкувався по телефону.

Як то кажуть, повернемося до наших баранів. Спочатку скористаємося автомобільної штирьовий антеною ($ 5 – 10). Тут головне – не нарватися на занадто погане якість. Маючи Netmonitor, перевірити антену набагато легше. При підключеної до телефону автомобільної антени рівень сигналу повинен збільшитися на 1 – 3 дБ (наприклад, з -60 дБ до -57 дБ). У крайньому випадку, сигнал повинен залишитися незмінним. Якщо при підключенні антени сигнал зменшиться на 5 дБ і більше, краще відмовитися від покупки. Хочу зауважити, що хороша фірмова автомобільна антена коштує від $ 40 і вище. Втім, і серед азіатських 10-доларових виробів іноді зустрічаються непогані речі. Встановлена на дах вашого "будиночка в селі", автомобільна антена здатна вирішити проблему зі зв'язком. Якщо посилення автомобільної антени не вистачає, можна звернутися до інших – наприклад, до поширеної спрямованої антени – хвильовому каналу. Він виглядає, як звичайна телевізійна антена, встановлена на даху будинку.

Хвильовий канал дозволяє отримати реальне посилення до 7 – 15 дБ з оптимальною діаграмою спрямованості. Але у нього є недолік – вузькосмуговий. Різниця між частотою прийому і частотою передачі в GSM 900 становить 45 МГц, а весь робочий діапазон – 890 – 960 МГц (смуга в 70 МГц). Домогтися лінійної або близькою до лінійної характеристики в такому широкому діапазоні важко. Тому бажано виготовляти хвильовий канал в залежності від частоти оператора і конкретного місця і в залежності від ситуації зрушувати резонанс до частоті висхідного або спадного напрямків. Для більшої широкосмуговості слід використовувати тільки петлевий вібратор, погоджуючи його з кабелем – наприклад, з симетрувального петлею; також слід обмежитися невеликою кількістю елементів, скажімо, 3 – 12, тому що якщо їх буде більше, налаштувати антену без обладнання буде важко, крім того, робочий діапазон антени звужується.

Мені доводилося мати справу з безліччю хвильових каналів, виготовлених кустарно. Констатую: у більшості антен коефіцієнт посилення становив менше 7 дБ, деякі мали резонанс на частотах 700 – 800 МГц замість GSM-діапазону і коефіцієнт стоячої хвилі більше 3 (при передачі це може легко вивести з ладу вихідний каскад телефону). Професійно виготовлені і налаштовані саморобні антени зустрічалися рідко.

Тепер на черзі – логоперіодіческіе антени (їх теж можна відшукати на радіоринку). У порівнянні з хвильовим каналом вони мають більш широкий робочий діапазон. Тому такі антени менш критичні до точності виготовлення і налаштування. Реальний коефіцієнт посилення тут досягає 10 – 14 дБ. Теоретично при необхідності можна з'єднати 2 хвильових каналу, один – налаштований на частоту прийому, інший – На частоту передачі, але це вже занадто складна система.

У діапазоні 900 МГц питання вибору кабелю набуває першорядну роль. Вітчизняні телевізійні коаксіальні кабелі можна використовувати тільки обмежено (загасання більше 30 дБ на 100 м занадто велике). З доступних імпортних зразків підійде RG6 – коаксіальний кабель з подвійною опліткою. Його ви знайдете в будь-якому магазині. Згасання становить 20 – 24 дБ на 100 м (перевіряв експериментально). Промислові штирові автомобільні антени зазвичай включають в себе кабель RG59 з загасанням 28 дБ на 100 м. Антена типу хвильовий канал з коефіцієнтом посилення 12 дБ і 10 м кабелю RG6U дають загальне посилення 9,6 дБ, а при 20 м – 7 дБ.

На більшості телефонів є роз'єм для зовнішньої антени. Крім того, для кожного типу телефону існує так званий антенний перехідник (близько $ 5), він підключається до зазначеного роз'єму і являє собою короткий шматок кабелю, з одного боку якого знаходиться специфічний телефонний високочастотний роз'єм, а з іншого – стандартний ВЧ-роз'єм. Зазвичай загасання в антенному перехіднику не перевищує 1 дБ. Купуючи антенний перехідник, переконайтеся в його дієздатності. При включенні перехідника в телефон вбудована в телефон антена відключається і вихідний каскад перемикається на перехідник. Іншими словами, якщо ви просто підключаєте перехідник до телефону, сигнал на шкалі телефону повинен трохи впасти. Потім ви підключаєте зовнішню антену до перехідника, і сигнал збільшується. Якщо все йде саме так, значить, перехідник працює.

Отже, ви купили антену і підключили її до кабелю і до телефону. Піднялися на високу точку і приступили до налаштування антени. Додайте телефон так, щоб було видно екран. Як вже говорилося, при налаштуванні антени з апаратами Nokia краще всього використовувати функцію Netmonitor. У більшості інших телефонів можна ввести спеціальний код і відкрити службове меню, яке дозволяє побачити приймальний рівень 6 – 8 частот, що приймаються телефоном у порядку убування, номери частот, відстань до базової станції, відсоток помилок у каналі та ін (Опис багатьох сервісних меню, див на: www.3ton.com/gsm.) Якщо Netmonitor є, будемо орієнтуватися по рівню сигналу в децибелах (нагадуємо, що сигнал сильніше, коли значення рівня в децибелах менше). Якщо він відсутній, будемо налаштовуватися за стандартною шкалою сигналу.

Так як антени базових станцій GSM 900 мають вертикальну поляризацію, хвильовий канал слід розміщувати вертикально. При юстируванні антен зверніть увагу на те, що приймальний рівень сигналу, що відображається в телефоні, змінюється з затримкою на кілька секунд, тому антену слід повертати повільно і дискретно. Якщо вам відомо направлення на найближче місто, почніть з нього. Повільно повертайте антену по горизонту. Якщо сигнал знайдений, ваше завдання знайти напрям, звідки сигнал приходить з максимальним рівнем. Якщо сигналу немає, повільно повертайте антену по горизонту, поки він не з'явиться. Пам'ятайте, що кожний метр висоти установки антени може виявитися вирішальним. Якщо сигнал не знайдено, спробуйте переміститися на кілька метрів убік і пошукати знову. Може бути, вам пощастить. Небажано використати кабель між антеною і телефоном довжиною більше 30 м: у цьому випадку практично весь сигнал втрачається в кабелі.

Наостанок наведемо розміри саморобної логоперіодіческой антени для діапазону 850 – 950 МГц (рис. 2). Розміри взяті з сайту www.atnn.ru. Програму для розрахунку антени-хвильовий канал знову-таки можна знайти на: www.3ton.com/gsm. Параметри: коефіцієнт посилення – 8,3 дБ, хвильовий опір – 60 Ом.

Номер елемента Загальна довжина вібраторів (мм) Відстань від попереднього елемента (мм) Відстань від кінця буму (мм)
 5  176  0  44
 4  141  51  95
 3  113  40  135
 2  60  32  168
 1  72  26  194

Номер елемента Загальна довжина вібраторів (мм) Відстань від попереднього елемента (мм) Відстань від кінця буму (мм)
5 176 0 44
4 141 51 95
3 113 40 135
2 60 32 168
1 72 26 194