Сделай сам: антенна для 3G(4G)-модема
Тема актуальна для абонентов, живущих за пределами крупных населенных пунктов и при большой удаленности от ближайших вышек сотовых операторов. Но и в городах с плотной застройкой прием прямого сотового сигнала иногда затруднён, приходится довольствоваться использованием отраженного сигнала, а он ослаблен в несколько раз. В этом случае поможет выносная антенна.
Конструкции таких антенн различны, отличающиеся принципом построения, сложностью конструкции и радиотехническими параметрами. В данной статье хотелось бы поделиться личным опытом по изготовлению и применению варианта антенны, доступного для повторения в домашних условиях, без применения сложных расчетов и технологий изготовления.
В моем случае, проблема состояла в крайне низкой скорости интернет соединения из-за большой удаленности от вышки (15 км по прямой) и, кроме того, прием прямого сигнала был невозможен из-за находящихся перед домом других зданий. По этой причине 3G–сигнал модемом практически не фиксировался, и работать он мог только в режиме GPRS (использовался модем от МТС (MF192+) и модели от Мегафона).
Были рассмотрены многие варианты для увеличения уровня принимаемого сигнала, в том числе на различных сайтах в интернете по этой теме. Анализ антенн различных конструкций и отзывы об их работе показали, что наиболее эффективно работают варианты направленных антенн типа «волновой канал» или с использованием отражателей-тарелок с расположением самого модема в их «фокусе». Но такие антенны требуют для изготовления точных и сложных расчетов, довольно специфических материалов, и, поэтому, делать в домашних условиях их не просто. А варианты с выносом самого модема «на улицу» (за окно, на крышу и др.) сразу отпали из-за необходимости применения при этом USB удлинителя более 15 м, а при такой длине модем вообще работал не устойчиво. Кроме того, модем в принципе не предназначен для работы в уличных условиях , при значительных перепадах температуры и влажности.
Поэтому рассматривался вариант комнатной направленной антенны, а по многочисленным положительным отзывам, таким вариантом являлась конструкция антенны «зигзаг Харченко» или «би-квадрат». Следует сказать, что в моем случае применение двойного и тройного вариантов «би-квадрата» не показало никакого значимого преимущества перед обычным, простым вариантом этой антенны. Поэтому в дальнейшем будет рассмотрен подробный расчет и особенности изготовления «классического» варианта «би-квадрата»:
Расчет антенны
Периметр рамки антенны такого типа должен быть равен длине волны принимаемого радиосигнала. В нашем случае длину волны можно рассчитать, зная частоту сигнала 3G, которая составляет 2100 МГц. Для этого нужно разделить скорость распространения радиоволн (300000 км/сек) на частоту:
300000 / 2100000 = 0, 143 м
— получаем длину рамки равной 143 мм. Поскольку рамка имеет форму квадрата, следует разделить ее общую длину на 4, в результате получим длину каждой стороны квадрата, равную 35,75 мм. (во многих источниках можно найти другие длины сторон — от 27 до 53 мм… Очевидно, такие антенны рассчитаны уже на другой диапазон — GSM или Wi-Fi, например, рабочие частоты у которых, соответственно, ниже или выше, чем в нашем случае).
Изготовление
Коэффициент усиления данной антенны примерно 6 дБ. При ее изготовлении все размеры нужно соблюдать как можно точнее, от качества изготовления сильно зависит и качество работы. Следует заметить, что любая антенна без усилителя не усиливает сигнал как таковой, а выделяет его на фоне других сигналов и различных помех (если антенна не широкополосная). Чтобы увеличить усиление до 9 дБ, нужно применить рефлектор . Это может быть металлическая пластина, мелкая сетка или даже фольга, наклеенная на фанеру или плотный картон, размерами на 10-15 % больше площади «полотна» самой антенны. В данном случае рефлектор будет иметь размеры 125 х 75 мм.
Для изготовления потребуется медный провод диаметром не менее 4 мм.кв (можно использовать «жилу» от силового электрического кабеля марки ВВГ или NUM). Периметр каждого квадрата равен длине волны – 143 мм. Поскольку антенна состоит из двух квадратов, то понадобится отрезок провода 2 х143 мм = 286 мм. Размечаем провод на 8 равных отрезков и изгибаем в этих местах под углом 90 градусов , а свободные концы спаиваем между собой, чтобы получился замкнутый контур:
Рефлектор следует закрепить позади «квадратов» антенны, причем расстояние до рефлектора тоже имеет большое значение, так как это влияет на входное сопротивление и согласование с кабелем. Теоретически это расстояние должно составлять ¼ длины волны, в нашем случае: 1 43 / 4 = 35,75 мм . Но моя антенна, например, лучше работает при расстоянии 18 мм, а это получается 1/8 длины волны. Поэтому это расстояние лучше сделать «регулируемым» и подбирать в процессе настройки. Для этого берем отрезок медной трубки подходящего диаметра (туда должен входить наш соединительный кабель), например — от телескопической антенны для приемников/телевизоров. Придаем ему форму, как показано на рисунке:
В пластине рефлектора сверлим отверстие в центре, чтобы туда плотно входила эта трубка. Её можно не припаивать к рефлектору и при настройке двигать, регулируя расстояние до плоскости антенны. Затем припаиваем рамку из двух квадратов к этой трубке, сквозь трубку пропускаем кабель (обычный телевизионный) и припаиваем его центральную жилу к внутреннему углу рамки напротив отверстия трубки, а оплетку-экран кабеля – к трубке с противоположной стороны рефлектора (всё это видно на фото ниже):
Трубку можно припаять к рефлектору после окончательной настройки антенны. Плоскость антенны должна быть строго параллельна плоскости рефлектора, потому что даже небольшой перекос сильно снизит уровень сигнала (!)
Соединение с модемом
Если на вашем модеме нет специального разъема для подключения внешней антенны, то нужно сделать своеобразный «адаптер», который надевается снаружи и передает сигнал на внутреннюю антенну модема методом переизлучения. В простейшем случае это 3-5 витков центральной жилы кабеля на корпусе модема, в месте расположения его внутренней антенны :
Количество витков подбирается при настройке по максимуму принимаемого сигнала. Затем эти витки следует закрепить на модеме изолентой. А можно сделать конструкцию посложнее, как на фото ниже:
— «кольцо» сделано из полосы медной фольги шириной 45 мм и плотно облегает корпус модема в месте расположения его внутренней антенны. К этому кольцу припаивается центральная жила соединительного ТВ-кабеля. Из другой полоски такой же фольги, но размерами 25 х 75 мм, изгибается «полукольцо», как на фото, и к нему припаивается оплетка-экран кабеля. Электрического контакта между кольцом и полукольцом быть не должно. Регулируя положение полукольца (угол его наклона относительно модема), можно добиться максимального уровня принимаемого сигнала. У модемов разных типов и моделей расположение встроенной антенны внутри корпуса также разное (в районе разъема USB или на другом его конце). Это следует учитывать при расположении «адаптера» на корпусе вашего модема!
Для соединения модема с антенной выбирайте качественный ВЧ-кабель, лучше марок: 10D-FB, 8D-FB, 5D-FB (в порядке ухудшения качества)
Настройка антенны
Расположив антенну так, чтобы она была направлена в сторону ближайшей вышки сотовой связи у окна или напротив него, отрегулируйте расстояние между ней и пластиной рефлектора, сдвигая трубку. Ориентироваться можно по уровню сигнала значка антенны в стандартной программе-коннекте для вашего модема (но там запоздалая реакция на изменение сигнала — до 20 сек (!),
В моем случае показатель шкалы антенны увеличился до 2-3 делений (до этого не было совсем). Однако скорость интернет соединения при этом поднялась очень ощутимо, так как важен даже не уровень сигнала, а отношение «сигнал-шум». Наша антенна работает в резонансе с полезным сигналом и «давит» посторонние шумы и помехи. Поэтому скорость обмена информацией увеличилась с 0,5 Мб/с до 3…4 Мб/с в дневное время (ночью — выше). А без антенны, как уже говорилось ранее, прием сигнала 3G был вообще практически невозможен.
Чтобы не быть голословным, ниже приведу скриншоты с уровнями сигнала и скоростью интернет-соединения с такой антенной:
Простая всенаправленная антенна 3G 4G Wi-Fi
Такая антенна имеет направленное действие, что может быть не всегда достоинством, но и даже недостатком. Пример такой: вам нужно усилить сигнал вашего роутера, чтобы можно было ловить его в любой части вашего дома. Если вы будете использовать направленную антенну, то сигнал, скорей всего, будет хорошо доступен только в поле действия этой антенны. Наверняка это будет только одна комната, куда она будет направлена. Такую антенну хорошо использовать только для дальней связи, при условии, если вы знаете куда её направить.
Для усиления своего WI-FI сигнала во всех направлениях подойдет антенна, которую покажу вам я. Она по своим характеристикам направленности близка к штыревой антенне, за исключением большей чувствительности.
По строению это фактически тот же биквадрат, только дважды направленный в противоположные стороны. Плюс ко всему эта антенна в разы проще классического биквадрата, так как не имеет ни стойки, ни рефлектора.
Как рассчитать антенну?
Только пожалуйста не пугайтесь, математика пятый класс. Нам нужно рассчитать только одно плечо, так как антенна квадратная. Но для начала нужно узнать под какую частоту мы будем делать антенну. Лично я в примере буду делать под WI-FI. Известно, что частота WI-FI равна примерно 2,4 ГГц или 2400 МГц (так же есть ещё более современный Wi-Fi – 5500 МГц). Если будете делать под 3G – 2100 МГц, а 4G (YOTA)- 2600 МГц.
Берем скорость распространения радиоволн (300,000 км/с) и делим на нужную частоту (2400 МГц) в килогерцах.
300.000/2.400.000 = 0,125 м
Это мы получили длину волны. Теперь поделим на четыре и получим длину плеча квадрата.
0.125/4 примерно получиться 0,0315 м. Переведем в миллиметры для удобства и получим 31,5 мм.
Изготовление простой антенны для Wi-Fi своими руками
Брем толстую проволоку толщиной 2-3 мм. И шаблон, вырезанный из кусочка алюминия. Можно конечно обойтись без него, но с ним попроще.
Затем, малярным скотчем временно фиксирую квадраты крест-накрест, чтобы было проще спаивать. И запаиваю середину сверху, чтобы конструкция приобрела жесткость.
Испытания антенны
Видно, что наша антенна принимает и усиливает сигнал на 30% лучше. Вот вам и результат работы.
Хороший уровень сигнала — это залог высокой скорости интернета, а значит залог стабильной работы. 30 процентов это очень высокий показатель, учитывая то что кардинально ничего менять не пришлось.
Делайте свою простую антенну для 3G, 4G или Wi-Fi и больше не мучайтесь с нестабильным и слабым сигналом.