Конструкционные особенности и принцип действия MiMo-антенн для 3G и 4G-модемов

В современном мире доступ в Интернет стал неотъемлемой частью жизни. Однако в силу ряда причин, сотовые операторы не везде могут установить вышки связи, поэтому в некоторых отдаленных регионах качество сигнала оставляет желать лучшего. Помочь в решении вопроса может MIMO-антенна 4G, как покупная, так и изготовленная своими руками по инструкциям, приведенным в этой статье.

Прием и отправка информации в линиях беспроводной связи

В радиоканале полезная информация распространяется от передатчика к приемнику в виде электромагнитных волн. При этом основными параметрами сигнала, от которых напрямую зависит качество связи, будут:

• мощность;
• частота (тесно связана с пропускной способностью канала);
• тип используемой модуляции.

Для того чтобы обеспечить хорошее качество связи недостаточно просто увеличить значение одного или всех сразу вышеописанных показателей. Это связано с тем, что существуют определенные нормативы по электромагнитной безопасности. Поэтому для повышения скорости передачи пакетов данных внутри линии беспроводной связи используют различные оптимизирующие подходы. Один из них – технология, в которой используются антенна MIMO 3G/4G LTE-диапазонов с резонаторами, имеющими между собой низкий коэффициент корреляции.

Проходя через пространство, электромагнитная волна обязательно будет встречать на своем пути препятствия из различного материала, испытывая частичное или полное отражение и поглощение. При этом в канале начинают наблюдаться следующие эффекты:

1. Межсимвольная интерференция — наложение одного или нескольких символов друг на друга вследствие многолучевого распространения сигнала.
2. Частотная селективность. В простейшем случае – избирательность приемника по заданной частоте (частотам).

Благодаря заложенным в математическую модель современным и эффективным методам обработки сигналов при использовании технологии MIMO можно без труда разделять полезную информацию и возникающие артефакты (в том числе и шумы).

Технология MIMO

Как уже было сказано выше, основными вопросами при приеме и передаче данных посредством радиоканала является обеспечение помехоустойчивости и высокого качества конечной обработки. Для этого сотовыми операторами применяется технология, в которой считается, что антенна 4G LTE MIMO — лучшая из имеющихся реализаций (Multiple Input Multiple Output). Ее суть заключается в том, что обмен информацией в виде электромагнитных волн осуществляется не одной парой приемо-передатчиков, а целым набором. При этом важно обеспечить низкий коэффициент корреляции между ними, а также двойную (так называемую 2х2) поляризацию.

С математической точки зрения суть технологии 4G MIMO может быть раскрыта следующим образом. Пусть имеются N передающих и M приемных антенных устройств, тогда свойства каждого канала (зависимость от особенностей многолучевого распространения сигнала) можно описать путем задания нестационарного (меняющегося во времени) комплексного коэффициента hnm, который набором образуют так называемую канальную матрицу H. Тогда, если иметь волновой вектор полезных данных s и волновой вектор шумов n, то направление, из которого пришел принятый сигнал r можно выразить через простую формулу r = H*s + n.

Принцип работы MIMO 3G/4G-антенн

В большинстве случаев, поскольку преимущество отдается схеме с 2х2, антенна МИМО 4G – это просто два полосковых резонатора. Их единственной особенностью является расположение друг относительно друга, оно выполнено так, чтобы при помощи ортогональной поляризации (в вертикальной плоскости смещение составляет 45 градусов, а угол между плоскостями антенн – 90 градусов) произвести разделение каналов. Таким образом, при приеме двух сигналов разница в их коэффициентах усиления будет составлять до 20 дБ.

Конструкционные особенности MIMO-антенн

Помимо достаточно сложной теоретической части касательно принципа действия технологии MIMO, антенны, применяемые в ней, также имеют некоторые конструктивные особенности, которые имеют огромное значение при проведении грамотного монтажа:

• Тип антенны. Если говорить о 3G/4G-сигнале, такое устройство будет однозначно уличного типа, его установка должна производиться в оптимальной точке пространства с направлением на ближайшую сотовую вышку и наличием минимума препятствий на пути электромагнитной волны.
• Тип крепления. Основой под установку должна служить мачта, закрепленная посредством собственного фундамента (до 4 метров в высоту) и растяжек (трос от 4 мм) или на здании (крыша, фасад). Сам кронштейн, к которому непосредственно монтируется антенное устройство, должен иметь три степени свободы (другими словами, поворачиваться в трех плоскостях: X, Y и Z), что позволит регулировать поляризацию.
• Стойкость к атмосферному воздействию. Антенна должна быть надежно защищена от осадков, это достигается путем ее размещения в пластиковом корпусе, а в некоторых случаях – нанесения слоя лака или краски (типа ПФ) на металлические части. Также соединения (коннекторы) с коаксиальным кабелем промазываются герметиками.

• Грозозащитные меры. Конечно, в покупных антеннах предусмотрена такая функция, она обеспечивается путем короткого замыкания выходов по постоянному току. Однако если установка устройства выполняется путем монтажа его на мачту, то попадание молнии может просто испарить всю конструкцию, поэтому в таком случае желательно наличие громоотвода.
• Дополнительные детали. При монтаже могут потребоваться дополнительные материалы, такие как коаксиальный кабель (обычно с волновым сопротивлением 50 Ом), коннекторы и переходники (адаптеры).

Панельная антенна

На сегодня этот тип антенн получил наибольшее распространение в коммерческой нише (считается, что это панельная антенна 4G – одна из лучших) и используется всеми сотовыми операторами для достижения оптимальной зоны покрытия в необходимой области. Конструктивно такие устройства состоят из двух матриц диполей (в простонародье – «патчей»), которые располагаются в вертикальные ряды и разносятся в пространстве путем помещения в разные корпуса (в пользовательском варианте приемного оборудования чаще в одном корпусе с четырьмя патчами на каждый сегмент).

Подключение производится разными коннекторами на два разных фидера, соответственно, к двум независимым входам излучателя/приемника. В соответствии с теоретической частью, изложенной выше, относительное положение плоскостей полосковых резонаторов может устанавливаться как 45 градусов по отношению к вектору вертикали, так и ортогонально друг к другу.

Применение панельных антенн для работы в сетях 4G

На сегодня рынок предлагает множество антенн, конструктивное исполнение которых значительно варьируется от таких параметров, как диаграмма направленности и рабочий частотный диапазон. Касательно первого: угол раскрытия основного лепестка варьируется в пределах от 30 до 90 градусов, для сотовых антенн — обычно от 60 до 75 градусов. Также вклад в направленность вносит угол наклона, который может быть как регулируемый как механическим путем (вертикальная плоскость), так и стационарным, установленный заводом-изготовителем (горизонтальная плоскость).

Второй параметр как раз определяет частотную селективность антенны (о чем упоминалось ранее) и для сетей 4G диапазон может быть самым разным (от 800 МГц и выше), некоторые сотовые вышки работают сразу на нескольких значениях, например, для LTE это могут быть линии 700 МГц, 800 МГц, 2600 МГц. Если необходимо включение 3G, дополнительно используется полоса 2100 МГц. Естественно, что это требует разделения как в плоскостях поляризации, так и пространственное, а также разных направленностей. Это неизбежно приведет к огромному видовому разнообразию устройств, что и можно наблюдать на рынке.

Установка антенн для модема своими руками

После того как сделан выбор, и антенна куплена, а также приобретены дополнительные коннекторы, ее необходимо установить. Настоятельно рекомендуется перед проведением работ сделать хотя бы примерный набросок (лучше чертеж в масштабе), на котором будут обозначены линии коаксиального кабеля, его длина, произведены расчеты потерь сигнала, показаны местоположения близлежащих вышек и возможных препятствий. Поиск сотовых излучателей и их характеристик можно произвести при помощи специальных мобильных приложений, а в качестве основы для карт использовать OpenStreetMap (http://openstreetmap.ru). После этого необходимо собрать нужный инструмент, материалы и произвести монтаж:

1. Инструмент и материалы. В зависимости от типа установки могут понадобиться: щебень, песок, цементная смесь, анкеры, тросы, талрепы, саморезы, дюбели, металлические уголки, герметики, атмосферостойкая краска. Для работы необходимы пассатижи, перфоратор, шуруповерт с набором бит и сверл, мультиметр, молоток, лопата, стремянка, ведра.
2. Основа. Если установка производится на мачте, в первую очередь нужно определить место, где она будет смонтирована. После этого выкапывается яма, дно которой отсыпается небольшим количеством песка. Если места для размещения антенны — фасад здания или крыша, производится простое крепление кронштейна при помощи анкеров либо саморезов.
3. Установка мачты. Очень важно помнить, что мачта устанавливается только тогда, когда на ней смонтировано все оборудование. Для этого к верхнему концу, в соответствии с инструкцией, крепится антенна на кронштейне, подсоединяются фидеры, соединения герметизируются. К кольцам цепляются тросы (обычно 3 штуки) нужной длины и с талрепами на втором конце. После этого мачта поднимается и ставится в яму нижним кольцевым основанием, засыпается до половины высоты стенок средним щебнем. После этого, не заливая фундамент, переходят к настройке антенны.
4. Настройка. Этот этап подразумевает (независимо от типа установки) поворот резонаторов в нужном направлении (согласно чертежу) и контроль качества связи. После этого можно переходить к заключительному этапу.
5. Завершающие мероприятия. Когда антенна расположена в нужном направлении, все доступные винтовые соединения затягиваются контргайками. Фундамент мачты заливается цементной смесью, тросы при помощи штырей укрепляются в земле (можно также укрепить щебневой и цементной засыпкой/заливкой), производится натяжка путем вращения талрепов. Коаксиальные кабели устанавливаются на воздушной линии связи, либо закрепляются при помощи хомутиков вдоль стены.

Как сделать антенну самостоятельно

Итак, антенные решетки позволяют принимать и до нужного значения усиливать сигнал. При этом они делятся на три типа:

• узконаправленные, принимающие радиоволны четко заданного направления;
• секторные, диаграмма направленности которых может выделять определенный участок приема;
• всенаправленные, имеющие круговую диаграмму направленности.

Последние наиболее простые в изготовлении и, по сути, все остальные антенны являются их продвинутыми модификациями. Для самостоятельного изготовления существует множество вариантов устройств, здесь будут рассмотрены несколько проверенных типов, зарекомендовавших себя.

Простая секторная антенна

В магазине можно найти устройство, представляющее собой фокусирующий рефлектор, на штанге которого нужно установить модем. Обычно такие модели стоят дорого, а изготовить их своими руками – задача не из самых сложных. Наилучшим материалом для отражателя станет крышка от старого корпуса ПК, из инструментов понадобятся только маркер (карандаш), ножницы по металлу, напильник и шкурка. Порядок действий такой:

1. на лист железа перенести чертеж деталей антенны;
2. вырезать, все острые кромки обработать напильником и шкуркой, желательно закрасить;
3. сформовать антенну по линии сгиба, в штангу вставить 4G-модем и соединить его с роутером или компьютером посредством USB кабеля;
4. антенну в сборе основанием прикрутить к чему-нибудь тяжелому для устойчивости.

Кстати, если требуется выполнить временный (комнатный) вариант, можно использовать любой подручный материал, начиная от фольгированного картона.

Панельная антенна

Чтобы изготовить такую уличную 4G MIMO-антенну, понадобится следующий набор материалов:

• листовое железо (оцинкованное), размер основной панели составляет 33,4 см на 29 см (1 шт), а диполи – 11,8 см на 7,05 см (4 шт.);
• медная проволока диаметром 2 мм;
• немного медной фольги для соединительного элемента в виде окружности диаметром 2,1 см;
• диэлектрик для прокладок под дипольные пластины (подойдет пенопласт), клей для него.

В первую очередь, необходимо собрать патчи в сегмент. Для этого надо взять лист бумаги размером с рефлектор антенны, разложить на нем по чертежу патчи и спаять их между собой на медном соединителе.

В основной пластине отражателя необходимо произвести сверловку отверстия для коаксиального кабеля (волновое сопротивление 50 Ом). Приклеить пластины диэлектрика и к нему – сегмент из дипольных пластин, в результате должна получиться антенна, как показано на рисунке.

Центральную жилу кабеля надо припаять к медному пятаку, а экран – к рефлектору.

Направленная антенна Харченко

В Глобальной сети касательно этого типа приемного устройства ведутся постоянные споры, однако это действительно рабочая модель. Единственным нюансом при ее изготовлении является то, что необходимо ознакомиться с некоторым теоретическим минимумом, а при практической реализации соблюдать высокую степень аккуратности. Порядок действий следующий:

1. Сначала берется медная проволока диаметром 1,6 мм (или, другими словами, сечением 2 мм2), из нее изгибается рамка в виде двух ромбиков с длиной сторон 53 мм, угол между крайними плечами должен составлять 120 градусов, а зазор в центральной части – 5 мм. Важно помнить, что смещение даже на 1 мм существенно повлияет на параметры антенны.
2. Из листового алюминия толщиной 2 мм вырезается квадрат с длиной сторон 14 см, в его центре просверливается отверстие диаметром чуть менее имеющегося коаксиального кабеля на 50 Ом.
3. Ровно по центру, на диэлектрических стойках, над рефлектором на высоте 36 мм устанавливается рамка.
4. В отверстие продевается кабель, центральная жила припаивается к нижнему уголку в зазоре 5 мм, а экран – к верхнему.
5. После этого антенна закрепляется на кронштейне (можно от спутниковой тарелки) и настраивается путем поворота в трех плоскостях.

Направленная MIMO-антенна от KREOSAN

Это нашумевшая конструкция, которая использует все преимущества двойной поляризации и претендует на звание лучшей 4G-антенны. Более того, она проста в настройке, поскольку регулировать ее нужно только в двух плоскостях. Существуют несколько моделей для MIMO 3G-сети и 4G-сети (для разных частот), но принцип изготовления одинаков. Для сборки антенны понадобятся:

• Листовая медь или алюминий, из него вырезаются диски диаметром под необходимую частоту.
• Шпилька М8 длиной 14 см и набор гаек в количестве 12 штук. На ней закрепляются диски таким образом, как показано на рисунках.
• Коаксиальный кабель. Необходимо два отрезка, один припаивается (или приклепывается) центральной жилой ко второму по величине диску на указанном расстоянии от края, второй – там же, только под углом 90 градусов относительно первого. Экраны закрепляются на самом большом диске.

После сборки антенна устанавливается на кронштейн, который можно смонтировать на мачте и остается только направить ее на ближайшую вышку сотового оператора. Кстати, касательно всех перечисленных выше антенн наиболее удобно как приемник использовать модем с уже имеющимися двумя разъемами Pigtail, а на коаксиальном кабеле — соответствующий переходник.

Заключение

Как видно, в элементарной теории антенн нет ничего сложного и разобравшись с основными понятиями можно с легкостью как выбрать необходимую антенну из числа предлагаемых на рынке, так и сконструировать или собрать ее самому. При этом следует помнить, что главная работа заключается не только в том, чтобы сделать антенну, ее еще необходимо правильно настроить. Для этого дополнительно рекомендуется ознакомиться с материалом по теме цифровой обработки сигналов, где обычно в самом начале разбирается теоретический минимум по существующим типам каналов связи и методам передачи информации в них.

Подгорнов Илья ВладимировичВсё статьи нашего сайта проходят аудит технического консультанта. Если у Вас остались вопросы, Вы всегда их можете задать на его странице.