Улучшение приема в отдалении от базовых станций с помощью дополнительных антенн

February 5, 2011 by admin Комментировать »

Антенны в мобильной телефонии занимают особое место. Именно они связывают телефонный аппарат с сотовой сис­темой и обеспечивают соединение. У телефона уже есть про­стая и удобная внутренняя малогабаритная антенна. Иногда она выделяется в корпусе мобильного телефона небольшим штырем или «наростом». В большинстве случаев штатная ан­тенна обеспечивает устойчивую связь. Но бывают ситуации, когда из телефона нужно «выжать» все, что только возможно, например, находясь в коттедже или загородном доме, распо­ложенном в отдалении от станций сотовой связи.

Некоторые пользователи сотовых телефонов не знают, что даже в пределах зоны обслуживания почти каждой ба­зовой станции, независимо от принадлежности к операто­ру (и стандарту) сотовой связи, есть участки с негарантиро­ванным покрытием. Иногда встречаются мертвые зоны, где для потери или восстановления связи достаточно сделать 2-3 шага в сторону. Количество базовых станций в разных районах города полностью эту проблему в отдельно взятом конкретном месте не решает. Это беда не только сотовой связи, но даже и телевидения (обладающего мощными пе­редатчиками).

На качество соединения влияет множество факторов: кон­фигурация антенны, находящиеся в непосредственной близо­сти от нее объекты, правильное заземление, угол отклонения от вертикали, длина соединительного кабеля. Конструкция современного мобильного телефона не позволяет использо­вать высокоэффективную встроенную антенну, поэтому для того чтобы обеспечить качественную связь в местах с недоста­точным радиопокрытием, ей необходима помощь – дополни­тельная сменная антенна.

Без нее не обойтись, пользуясь телефоном в автомобиле (особенно за пределами крупных населенных пунктов, вдали от магистралей), так как кузов автомобиля является экраном, препятствующим прохождению радиосигнала и искажающим его. Практически все типы телефонов допускают использова­ние сменных антенн. Однако успех будет обеспечен лишь при правильной эксплуатации антенны.

Сменные антенны имеет смысл применять в том случае, если уровень принимаемого сигнала настолько мал, что связь становится неустойчивой. Иначе связь может даже ухудшиться.

Можно выделить несколько ситуаций, когда целесообраз­но применение сменных антенн:

•     разговор ведется из экранированного помещения или из автомобиля. Вынесенная наружу антенна существен­но улучшает качество связи. Причем, если за предела­ми автомобиля (или здания) условия прохождения сиг­нала хорошие, нет необходимости применять антенны с повышенным усилением (этот параметр измеряется в дБ и указывается в паспорте антенны). Однако нали­чие кабеля между антенной и телефонным аппаратом, а также дополнительных разъемов (особенно бескон­тактных – емкостных и индуктивных) приводит к неко­торым потерям сигнала;

•     между говорящим по телефону и базовой станцией на­ходятся массивные сооружения, складки местности или толстые стены. Сигнал может быть сильно ослаблен и распространяться не горизонтально;

•     разговор ведется на большом удалении от ближайшей базовой станции – на краю или за пределами зоны дей­ствия сотовой системы. Сигнал сильно ослаблен, но распространяется горизонтально. Целесообразно при­менить антенну с усилением не менее 7 дБ, предпочти­тельно штыревую.

При осуществлении связи со стационарных объектов (квартир, офисов, дач) лучше всего использовать направ­ленные внешние антенны. Конечно, при этом телефон ста­новится менее «мобильным», так как он будет подключен через специальный адаптер к антенному кабелю, но каче­ство связи во многих случаях становится даже выше, чем при движении рядом с базовой станцией.

Практически в каждом салоне связи можно купить самые разнообразные автомобильные и стационарные антенны. Попробуем разобраться, нужна ли вообще дополнительная внешняя антенна, чем они отличаются друг от друга, как выбрать подходящую модель.

Начнем с наиболее часто встречающегося примера исполь­зования мобильного телефона – в движущемся автомобиле. Стоимость антенны для этих нужд не превышает 500 руб.

В этом случае выносные антенны отводят излучение телефо­на от головы, а также увеличивают его чувствительность. Ис­пользуя автомобильную антенну, вы улучшаете качество связи, продлеваете срок работы батареи телефона и ограждаете себя от электромагнитного излучения. Можно просто поставить магнитную антенну на крышу автомобиля или закрепить ее на боковом стекле.

Почему же связь из автомобиля хуже, чем на открытом месте, и что же конкретно происходит?

1.    Внутри автомобиля работоспособность телефонного аппарата резко понижается, поскольку там сигнал от базовой станции принимается намного хуже, чем сна­ружи.

2.    Внутри автомобиля излучение от собственной антенны телефона многократно отражается, в результате чего все пассажиры оказываются сидящими как бы внутри замкнутого контура с внутренним излучением, как про­дукты в микроволновой печи.

3.    Принимая недостаточно сильный сигнал, аппарат по­лучает от базовой станции команду повысить уровень мощности; следовательно, увеличивается уровень излу­чения и повышается расход электроэнергии.

Еще один момент, требующий внимания. Радиосигнал, из­лучаемый телефоном, может отразиться на работе электрон­ных устройств и систем автомобиля.

Внешняя антенна не только помогает избежать вышепе­речисленных неприятностей, но и улучшает качество связи. Достигается это в основном благодаря выведению сигнала за пределы автомобиля и более эффективному перераспределе­нию диаграммы направленности антенны.

Сегодня наибольшее распространение получили колли- неарные и планарные антенны. У каждой есть свои плюсы и минусы. Так, коллинеарные антенны способны усиливать сигнал вне зависимости от того, в какой стороне от них рас­положена базовая станция, зато планарные располагаются внутри автомобиля и, как следствие, лучше защищены от ат­мосферных воздействий и любителей присвоения чужой собственности.

Согласно теории распространения электромагнитных волн, для оптимального функционирования в автомобиле ан­тенна должна равномерно излучать сигнал во все стороны в горизонтальной плоскости (то есть иметь круговую диаграм­му направленности), иметь хорошее заземление, находиться как можно выше и на достаточной площади заземленной по­верхности. При этом, если антенна штыревая, угол отклоне­ния от вертикали не должен превышать 15°.

Из этого следует, что наилучшие показатели (для связи в автомобиле) будут обеспечиваться штыревой антенной, вре­занной в центр крыши. Заземление обеспечивается надежным контактом между «массой» автомобиля и «противовесом» ан­тенны, в то время как магнитная антенна из-за некачественно­го заземления (контакт только на разъеме) даст худшие пока­затели (см. ниже).

Обычно автомобильная антенна состоит из двух частей: внешней (штырь и внешняя часть базы) и внутренней (внут­ренняя часть базы или коробка связи, к которой подключа­ется кабель). Надежное соединение внешней и внутренней частей жизненно важно для обеспечения эффективной рабо­ты антенны. Выбор места на автомобиле, где будет крепить­ся антенна, имеет значение не только с точки зрения удоб­ства. Расположение антенны относительно металлического кузова автомобиля влияет на ее характеристики, из-за чего номинальное усиление, указанное в паспорте антенны, мо­жет только приблизительно соответствовать реальному. Луч­ше всего, если антенна установлена в сквозное отверстие на крыше автомобиля, поскольку в этом случае обеспечивается непосредственный контакт всех ее элементов. В этом поло­жении усиление практически соответствует номинальному, а диаграмма направленности – круговая. Но если кто-то не хо­чет сверлить отверстие в крыше, можно воспользоваться дру­гими способами установки: «сквозь стекло», на боковое стек­ло (в этих случаях эффективность антенны будет не намного лучше магнитной) или на багажник.

Монтаж антенны на бампере существенно искажает ее диаграмму направленности. Антенны с большим усилением так крепить не рекомендуется. Расположение антенны на багажнике или капоте даст промежуточный результат. При ус­тановке «сквозь стекло» антенна чаще всего размещается у верхнего края заднего стекла автомобиля. Внешняя часть базы антенны со штырем крепится снаружи, а коробка связи – внут­ри салона. Потери обычно не превышают 0,5-1 дБ. Однако следует помнить, что антенна не будет эффективно работать, если стекло, к которому она прикрепляется, тонированное. Нельзя ставить антенну и поверх проводников обогревателя. Кроме того, многие автомобили высшего класса имеют стек­ла с двойным покрытием, и в этом случае устанавливать антен­ну «сквозь стекло» тоже нельзя (не поможет).

Временный способ установки антенны на крышу с помо­щью магнитного основания имеет ряд очевидных преиму­ществ. Антенна может быть установлена в центре крыши, что обеспечивает круговую диаграмму направленности и не требует сверления отверстия. Однако (кроме ее невысокой эффективности, относительно жесткого крепления) такую антенну легко снять, а значит, и украсть.

Соединительный кабель от телефонного аппарата к ан­тенне обычно выводится через дверь и может быть легко поврежден. Есть еще один способ временной установки ан­тенны – на боковое стекло. В этом случае кабель проходит внутри салона, и «прихватизировать» такую антенну слож­нее. И хотя диаграмма направленности отнюдь не идеальна, качество связи будет вполне приемлемым. Существуют вари­анты крепления, позволяющие регулировать положение из­лучателя антенны по вертикали.

Кабель часто входит в комплект поставки антенны – обыч­но это неразъемное соединение. Исходная длина кабеля, как правило, составляет 3 м; при монтаже антенны его обрезают, вследствие чего приходится устанавливать разъем на конце кабеля, обращенном к телефону. Эту операцию нужно делать тщательно – неправильно установленный разъем или плохой контакт в нем способны нарушить работу всей системы. Со­единение кабеля с телефоном бывает прямым и опосредован­ным – через устройство громкой связи.

В первом случае кабель присоединяется через дополни­тельный разъем телефонного аппарата. Во втором случае кабель присоединяется к устройству громкой связи, а теле­фон вставляется в гнездо этого устройства. Некоторые моде­ли телефонов не имеют специального гнезда для сменной антенны, и поэтому их можно присоединять только через устройство громкой связи (иногда можно отсоединить штат­ную антенну и подсоединить кабель вместо нее, но это не­удобно).

Во втором случае можно устанавливать и использовать не­дорогие стационарные направленные антенны для мобиль­ных телефонов в городах и селах, расположенных вокруг ба­зовых станций операторов сотовой связи на удалении до 35 км (GSM-900), до 40-45 км (D AMPS), до 55-60 км (CDMA), до 70 км (NMT-4501) в зависимости от рельефа местности.

Сотовый телефон с внешней антенной с успехом заменит  обычный и поможет не только передать важные новости, но и вызвать экстренную помощь и спасти жизнь человеку в критической ситуации.

Основными разновидностями направленных антенн явля­ются антенны типа «волновой канал» и логопериодические. Наиболее популярны первые.

Они обладают большим усилением и просты в изготовле­нии. Логопериодические антенны более сложны и дороги, однако они имеют большую полосу частот и не требуют до­полнительной настройки.

Антенна типа «волновой канал» подобна одноименной те­левизионной антенне, она состоит из ряда параллельных виб­раторов, расположенных в одной плоскости: полуволнового линейного или петлевого вибратора, к которому подключен кабель снижения (активный вибратор), рефлектора и дирек­торов (пассивные вибраторы).

Длина рефлектора и его расстояние до активного вибра­тора подобраны таким образом, что излучение рефлектора ослабляет излучение активного вибратора в обратном на­правлении и усиливает его в прямом направлении. Таким образом, рефлектор является своеобразным отражателем, обеспечивающим формирование однонаправленной характе­ристики излучения (приема). Нередко в качестве рефлектора используется система вибраторов или сетка. Усилению излу­чения в прямом направлении способствуют директоры, ко­торые возбуждаются, как и рефлектор, под воздействием из­лучения активного вибратора. Следовательно, казалось бы, усиление антенны тем больше, чем больше у нее директоров. Однако чем больше количество директоров в антенне, тем меньше сказывается на ее усилении добавление каждого но­вого директора и тем сложнее добиться согласованной рабо­ты всех директоров. Одновременно это ведет к сужению по­лосы пропускания антенны.

К достоинствам антенны «волновой канал» можно отнести сравнительно высокое усиление при простоте конструкции.

К недостаткам — сложность настройки при числе дирек­торов более трех. Антенны, даже собранные по одному чер­тежу на одной и той же линии, оказываются настроенными по-разному и не допускают дополнительной регулировки. Реальное усиление такой антенны значительно ниже ука­занного (в среднем на 3-4 дБ). Кроме того, узкая полоса пропускания ведет к резкому снижению усиления в тех сис­темах связи, где используют дуплексные частоты с большим разносом. Например, стандарт DAMPS использует частоты 824-840 МГц и 869—894 МГц, и использование антенны «вол­новой канал», настроенной на середину этого диапазона, приводит к заметному ухудшению работы антенны на краях диапазона (то есть на рабочих частотах). То же самое отно­сится к популярным стандартам GSM-900, GSM-1800.

Логопериодические антенны – это один из типов антенн с неизменной формой диаграммы направленности и посто­янным усилением в широком диапазоне частот.

У такой антенны во всем диапазоне частот обеспечивается хорошее согласование с фидером. Логопериодическая антен­на образована собирательной линией в виде двух труб, распо­ложенных параллельно, к которым поочередно через один крепятся вибраторы.

Рабочая полоса частот антенны со стороны нижней часто­ты зависит от размеров наиболее длинных вибраторов, а со стороны верхней частоты – от размеров наиболее коротких вибраторов. Усиление антенны определяется количеством вибраторов, каждый из которых является активным. Следова­тельно, задав полосу частот (размеры максимального и мини­мального вибраторов), можно получить достаточно высокий коэффициент усиления во всем диапазоне за счет увеличения количества вибраторов. Логопериодические антенны хорошо работают в широкополосных системах связи: DAMPS, GSM- 900, GSM-1800 и в относительно узкополосных, например, в системе станционного доступа с кодовым разделением кана­лов CDMA (ширина полосы частот 1,5 МГц). Они не требуют дополнительной настройки, поскольку все вибраторы являют­ся активными (настроены один относительно другого на по­стоянную величину, характеризующую эти антенны).

К недостаткам этой антенны можно отнести ее более слож­ную конструкцию и повышенную трудоемкость в изготовле­нии по сравнению с антенной «волновой канал».

Таким образом, в системах сотовой связи стандартов CDMA, DAMPS, GSM-900/1800 целесообразно применять логоперио­дические антенны с необходимым для каждого конкретного случая усилением. На границе зоны покрытия наиболее эффек­тивны антенны типа «волновой канал», однако настройка этих антенн должна выполняться специалистом. Также следует об­ратить внимание на материал, из которого изготовлена антен­на. На частотах 800—900 МГц, а тем более 1800 МГц, несколько лучший результат дает использование материалов с высокой проводимостью – таких, как медь, латунь. Это повышает доб­ротность антенны и сводит к минимуму потери мощности (по­лезного сигнала).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты