Конструкційні особливості та принцип дії MiMo-антен для 3G і 4G-модемів

У сучасному світі доступ в Інтернет став невід’ємною частиною життя. Проте через ряд причин, стільникові оператори не скрізь можуть встановити вишки зв’язку, тому в деяких віддалених регіонах якість сигналу залишає бажати кращого. Допомогти у вирішенні питання може MIMO антена 4G, як покупна, так і виготовлена своїми руками за інструкціями, наведеними в цій статті.

Прийом та відправка інформації в лініях бездротового зв’язку

В радіоканалі корисна інформація поширюється від передавача до приймача у вигляді електромагнітних хвиль. При цьому основними параметрами сигналу, від яких безпосередньо залежить якість зв’язку, будуть:

• потужність;
• частота (тісно пов’язана з пропускною спроможністю каналу);
• тип використовуваної модуляції.

Для того, щоб забезпечити гарну якість зв’язку недостатньо просто збільшити значення одного або всіх відразу вищеописаних показників. Це пов’язано з тим, що існують певні нормативи щодо електромагнітної безпеки. Тому для підвищення швидкості передачі пакетів даних усередині лінії бездротового зв’язку використовують різні оптимізують підходи. Один з них – технологія, в якій використовуються MIMO антена 3G/4G LTE-діапазонів з резонаторами, мають між собою низький коефіцієнт кореляції.

Важливо! Кореляція у найпростішому розумінні — це ступінь зв’язку між двома розглянутими величинами. Наприклад, амплітуда локального радіосигналу буде корелювати з кількістю вологи у повітрі на його шляху, а з рівнем води в океані – ні.

Проходячи через простір, електромагнітна хвиля обов’язково буде зустрічати на своєму шляху перешкоди з різного матеріалу, відчуваючи часткове або повне відображення і поглинання. При цьому в каналі починають спостерігатися такі ефекти:

1. Міжсимвольна інтерференція — накладання одного або декількох символів один на одного внаслідок багатопроменевого поширення сигналу.
2. Частотна селективність. В найпростішому випадку – вибірковість приймача по заданій частоті (частот).

Завдяки закладеним в математичну модель сучасним та ефективним методам обробки сигналів при використанні технології MIMO можна без праці розділяти корисну інформацію і виникають артефакти (в тому числі і шуми).

Технологія MIMO

Як вже було сказано вище, основними питаннями при прийомі і передачі даних за допомогою радіоканалу є забезпечення завадостійкості і високої якості кінцевої обробки. Для цього стільниковими операторами застосовується технологія, в якій вважається, що антена 4G LTE MIMO — найкраща з існуючих реалізацій (Multiple Input Multiple Output). Її суть полягає в тому, що обмін інформацією у вигляді електромагнітних хвиль здійснюється не однією парою прийомо-передавачів, а цілим набором. При цьому важливо забезпечити низький коефіцієнт кореляції між ними, а також подвійну (так звану 2х2) поляризацію.

Корисно! У найпростішому випадку поляризація хвилі – це така характеристика, що описує поведінку вектора амплітуди (включаючи його напрям), може бути поздовжньою, поперечною або кругової.

З математичної точки зору суть технології 4G MIMO може бути розкрита в такий спосіб. Нехай є N передавальних і M приймальних антенних пристроїв, тоді властивості кожного каналу (залежність від особливостей багатопроменевого поширення сигналу) можна описати шляхом завдання нестаціонарного (мінливого у часі) комплексного коефіцієнта hnm, який набором утворюють так звану канальну матрицю H. Тоді, якщо мати хвильовий вектор корисних даних s і хвильовий вектор шумів n, той напрям, з якого прийшов прийнятий сигнал r можна виразити через просту формулу r = H*s + n.

Корисно! Хвильовий вектор – така величина, яка визначає напрямок поширення хвилі.

Принцип роботи MIMO 3G/4G-антен

У більшості випадків, оскільки перевага віддається схемі з 2х2, антена ПОВЗ 4G – це просто два смужкових резонатора. Їх єдиною особливістю є розташування один щодо одного, воно виконано так, щоб за допомогою ортогональної поляризації (у вертикальній площині зсув становить 45 градусів, а кут між площинами антен – 90 градусів) провести поділ каналів. Таким чином, при прийомі двох сигналів різниця в коефіцієнтах підсилення буде складати до 20 дБ.

Конструкційні особливості MIMO-антен

Крім досить складної теоретичної частини щодо принципу дії технології MIMO, антени, застосовувані в ній, також мають деякі конструктивні особливості, які мають величезне значення при проведенні грамотного монтажу:

Тип антени. Якщо говорити про 3G/4G-сигналі, такий пристрій буде однозначно вуличного типу, його установка повинна проводитися в оптимальній точці простору з напрямком на найближчу стільникову вишку і наявністю мінімуму перешкод на шляху електромагнітної хвилі.

Тип кріплення. Основою під установку повинна служити щогла, закріплена за допомогою власного фундаменту (до 4 метрів у висоту) і розтяжок (трос від 4 мм) або на будівлі (дах, фасад). Сам кронштейн, до якого монтується безпосередньо антенний пристрій, повинен мати три ступені свободи (іншими словами, повертатися в трьох площинах: X, Y і Z), що дозволить регулювати поляризацію.

Стійкість до атмосферного впливу. Антена повинна бути надійно захищена від опадів, це досягається шляхом її розміщення в пластиковому корпусі, а в деяких випадках – нанесення шару лаку або фарби (типу ПФ) на металеві частини. Також сполуки (конектори) з коаксіальним кабелем промащуються герметиками.

Важливо! Виробляти додаткову герметизацію необхідно навіть для покупних пристроїв, незайвим буде помістити в корпус гідрофільна речовина (сорбент силікагель в пакетиках) і виконувати його періодичну заміну.

Грозозахисні заходи. Звичайно, в покупних антенах передбачена така функція, вона забезпечується шляхом короткого замикання виходів по постійному струму. Однак якщо установка пристрою виконується шляхом монтажу його на щоглу, то попадання блискавки може просто випарувати всю конструкцію, тому в такому випадку бажано наявність громовідводу. Додаткові деталі. При монтажі можуть знадобитися додаткові матеріали, такі як коаксіальний кабель (зазвичай з хвильовим опором 50 Ом), конектори і перехідники (адаптери).

Панельна антена

На сьогодні цей тип антен отримав найбільше поширення в комерційній ніші (вважається, що це панельна антена 4G – одна з кращих) і використовується всіма стільниковими операторами для досягнення оптимальної зони покриття в необхідній області. Конструктивно такі пристрої складаються з двох матриць диполів (в народі – «патчів»), які розташовуються у вертикальні ряди і розносяться у просторі шляхом поміщення в різні корпуси (в користувальницькому варіанті приймального обладнання найчастіше в одному корпусі з чотирма патчами на кожен сегмент).

Підключення проводиться різними конекторами на два різних фідери, відповідно, до двох незалежних входів випромінювача/приймача. Згідно з теоретичною частиною, викладеної вище, відносне положення площин смужкових резонаторів може встановлюватися як 45 градусів стосовно вектора вертикалі, так і ортогонально один до одного.

Застосування панельних антен для роботи в мережах 4G

На сьогодні ринок пропонує безліч антен, конструктивне виконання яких значно варіюється від таких параметрів, як діаграма спрямованості і робочий частотний діапазон. Щодо першого: кут розкриття основної пелюстки варіюється в межах від 30 до 90 градусів, для стільникових антен — звичайно від 60 до 75 градусів. Також внесок у спрямованість вносить кут нахилу, який може бути як регулюється як механічним шляхом (вертикальна площина), так і стаціонарним, встановлений заводом-виробником (горизонтальна площина).

Другий параметр якраз визначає частотну селективність антени (про що згадувалося раніше) і для мереж 4G діапазон може бути різним (від 800 МГц і вище), деякі стільникові вишки працюють відразу на декількох значеннях, наприклад, для LTE це можуть бути лінії 700 МГц, 800 МГц, 2600 МГц. Якщо необхідно включення 3G, додатково використовується смуга 2100 МГц.

Природно, що це вимагає поділу як у плоскості поляризації, так і просторову, а також різних спрямувань. Це неминуче призведе до величезного видової розмаїтості пристроїв, що можна спостерігати на ринку.

Установка антен для модему своїми руками

Після того як зроблений вибір, і антена куплена, а також придбані додаткові конектори, її необхідно встановити. Настійно рекомендується перед проведенням робіт зробити хоча б приблизний нарис (краще креслення у масштабі), на якій будуть позначені лінії коаксіального кабелю, його довжина, зроблені розрахунки втрат сигналу, показано розташування довколишніх вишок і можливих перешкод.

Пошук стільникових випромінювачів та їх характеристик можна зробити за допомогою спеціальних мобільних додатків, а в якості основи для карт використовувати OpenStreetMap. Після цього необхідно зібрати потрібний інструмент, матеріали та провести монтаж:

1. Інструмент і матеріали. Залежно від типу установки можуть знадобитися: щебінь, пісок, цементна суміш, анкери, троси, талрепи, саморізи, дюбелі, металеві куточки, герметики, атмосферостійка фарба. Для роботи необхідні пасатижі, перфоратор, шуруповерт з набором біт і свердел, мультиметр, молоток, лопата, драбини, відра.
2. Основа. Якщо установка проводиться на щоглі, в першу чергу потрібно визначити місце, де вона буде змонтована. Після цього викопується яма, дно якої відсипається невеликою кількістю піску. Якщо місця для розміщення антени — фасад будівлі або дах, проводиться просте кріплення кронштейна за допомогою анкерів або саморізів.
3. Встановлення щогли. Дуже важливо пам’ятати, що щогла встановлюється лише тоді, коли на ній змонтовано все обладнання. Для цього до верхнього кінця, згідно з інструкцією, антена кріпиться на кронштейні, приєднуються фідери, з’єднання герметизуються. До кілець чіпляються троси (зазвичай 3 штуки) потрібної довжини і з талрепами на другому кінці. Після цього щогла піднімається і ставиться в яму нижнім кільцевим підставою, засипається до половини висоти стінок середнім щебенем. Після цього, не заливаючи фундамент, переходять до настроювання антени.
4. Налаштування. Цей етап передбачає (незалежно від типу установки) поворот резонаторів в потрібному напрямку (згідно з кресленням) і контроль якості зв’язку. Після цього можна переходити до завершального етапу.
5. Завершальні заходи. Коли антена розташована в потрібному напрямку, всі доступні гвинтові з’єднання затягуються контргайками. Фундамент щогли заливається цементною сумішшю, троси за допомогою штирів зміцнюються в землі (можна також зміцнити щебеневої і цементної засипанням/заливкою), проводиться натяжка шляхом обертання талрепа. Коаксіальні кабелі встановлюються на повітряної лінії зв’язку, або закріплюються за допомогою хомутиків уздовж стіни.

Важливо! Існує ще метод непрямого кріплення антени до фасаду будівлі, а саме: з установкою короткої щогли. Він застосовується тоді, коли пристрій треба винести вище, наприклад, над коником покрівельної ферми. У цьому випадку на щоглі також монтується обладнання, і вона хомутами пристібається до стіни.

Як зробити антену самостійно

Отже, антенні решітки дозволяють приймати і до потрібного значення підсилювати сигнал. При цьому вони поділяються на три типи:

• вузькоспрямовані приймають радіохвилі чітко заданого напрямку;
• секторні діаграми спрямованості яких може виділяти певну ділянку прийому;
• всеспрямовані, мають кругову діаграму спрямованості.

Останні найпростіші у виготовленні та, по суті, всі інші антени є їх сучасними модифікаціями. Для самостійного виготовлення існує безліч варіантів пристроїв, тут будуть розглянуті кілька перевірених типів, які зарекомендували себе.

Проста секторна антена

У магазині можна знайти пристрій, що представляє собою фокусуючий рефлектор, на штанзі якого потрібно встановити модем. Зазвичай такі моделі коштують дорого, а виготовити їх своїми руками – завдання не з самих складних. Найкращим матеріалом для відбивача стане кришка від старого корпусу ПК, з інструментів знадобляться тільки маркер (олівець), ножиці по металу, напилок і шкурка. Порядок дій такий:

1. на лист заліза перенести креслення деталей антени;
2. вирізати, всі гострі кромки обробити напилком і шкуркою, бажано зафарбувати;
3. сформувати антену по лінії згину, в штангу вставити 4G-модем і з’єднати його з роутером або комп’ютером за допомогою USB кабелю;
4. антену в зборі підставою прикрутити до чого-небудь важкого для стійкості.

До речі, якщо потрібно виконати тимчасовий (кімнатний) варіант, можна використовувати будь-який підручний матеріал, починаючи від фольгованого картону.

Панельна антена

Щоб виготовити таку вуличну 4G MIMO-антену, знадобиться наступний набір матеріалів:

• листове залізо (оцинковане) розмір основної панелі становить 33,4 см 29 см (1 шт), а диполі – 11,8 см на 7,05 см (4 шт.);
• мідний дріт діаметром 2 мм;
• трохи мідної фольги для з’єднувального елемента у вигляді кола діаметром 2,1 см;
• діелектрик для прокладок під дипольні пластини (підійде пінопласт), клей для нього.

Увага! Запам’ятайте, що дипольні пластини – те ж саме, що і патчі!

В першу чергу, необхідно зібрати патчі у сегмент. Для цього треба взяти аркуш паперу розміром з рефлектор антени, розкласти на ньому по кресленню патчі і спаяти їх між собою на мідному з’єднувачі.

В основний пластині відбивача необхідно провести свердлення отвори для коаксіального кабелю (хвильовий опір 50 Ом). Приклеїти пластини діелектрика і до нього – сегмент з дипольних пластин, у результаті повинна вийти антена, як показано на рисунку.

Центральну жилу кабелю треба припаяти до мідному п’ятаку, а екран – до рефлектора.

До речі! Якщо зробити два таких антени і рознести їх у просторі під кутом 90 градусів один до одного, вийде повноцінний пристрій з селекцією по поляризації. Також можна експериментувати з формою рефлектора, наприклад, він може бути параболічний.

Спрямована антена Харченко

У Глобальній мережі щодо цього типу приймального пристрою ведуться постійні суперечки, однак це дійсно робоча модель. Єдиним нюансом при її виготовленні є те, що необхідно ознайомитися з деяким теоретичним мінімумом, а при практичній реалізації дотримуватися високу ступінь охайності. Порядок дій наступний:

1. Спочатку береться мідний дріт діаметром 1,6 мм (або, іншими словами, перерізом 2 мм²), з неї згинається рамка у вигляді двох ромбів з довжиною сторін 53 мм, кут між крайніми плечима має становити 120 градусів, а зазор в центральній частині – 5 мм. Важливо пам’ятати, що зміщення навіть на 1 мм суттєво вплине на параметри антени.
2. З листового алюмінію товщиною 2 мм вирізається квадрат з довжиною сторін 14 см, в його центрі просвердлюється отвір діаметром трохи менше наявного коаксіального кабелю на 50 Ом.
3. Рівно по центру, на діелектричних стійках, над рефлектором на висоті 36 мм встановлюється рамка.
4. В отвір протягується кабель, центральна жила припаюється до нижнього куточка в зазорі 5 мм, а екран – до верхнього.
5. Після цього антена закріплюється на кронштейні (можна від супутникової тарілки) і налаштовується шляхом повороту в трьох площинах.

Увага! Розташування рамки щодо рефлектора (паралельно або перпендикулярно) буде впливати на те, як поляризована антена, тобто при складанні двох пристроїв буде отриманий повноцінний MIMO-приймач.

MIMO Антена 4G LTE Своїми руками: Відео

Спрямована MIMO антена від KREOSAN

Це гучна конструкція, яка використовує всі переваги подвійної поляризації і претендує на звання кращої 4G-антени. Більш того, вона проста в налаштуванні, оскільки регулювати її потрібно тільки у двох площинах. Існують кілька моделей для MIMO мережі 3G і 4G-мережі (для різних частот), але принцип виготовлення однаковий. Для складання антени знадобляться:

• Листова мідь або алюміній, з нього вирізають диски діаметром під необхідну частоту.
• Шпилька М8 довжиною 14 см і набір гайок у кількості 12 штук. На ній закріплюються диски таким чином, як показано на малюнках.
• Коаксіальний кабель. Необхідно два відрізки, один припаюється центральної житлової до другого за величиною диска на вказаній відстані від краю, другий – там же, тільки під кутом 90 градусів відносно першого. Екрани закріплюються на найбільшому диску.

Після складання антена встановлюється на кронштейн, який можна змонтувати на щоглі і залишається тільки направити її на найближчу вежу стільникового оператора. До речі, стосовно всіх перерахованих вище антен найбільш зручно як приймач використовувати модем з вже наявними двома роз’ємами Pigtail, а на коаксіальному кабелі — відповідний перехідник.

Висновок

Як видно, в елементарній теорії антен немає нічого складного і розібравшись з основними поняттями можна з легкістю вибрати необхідну антену з-поміж пропонованих на ринку, так і сконструювати або зібрати її самому. При цьому слід пам’ятати, що головна робота полягає не тільки в тому, щоб зробити антену, її ще необхідно правильно налаштувати.

Для цього додатково рекомендується ознайомитися з матеріалом на тему цифрової обробки сигналів, де зазвичай на самому початку розбирається теоретичний мінімум за існуючими типами каналів зв’язку і методів передачі інформації в них.

Збільшення швидкості 4G інтернету в 40 разів 4G MIMO антена: Відео