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

Карта покрытия

Для многих пользователей существует проблема поиска зоны мобильного Интернета с доступом к беспроводной сети. Плохой сигнал многим абонентам сотовой связи доставляет массу неприятностей.

Карта покрытия сети 4G в России была создана для помощи в выборе лучшего оператора, на которой отображены МТС, «Мегафон», Yota, «Теле2», Beeline, «Ростелеком», SkyLink LTE.

Приезжая летом в деревню, многим не хочется отказывать себе в свободном доступе к сети Интернет. Если дача находится далеко от базовой станции сотового оператора, и уровень сигнала в её окрестностях изначально слабый, настроить бесперебойную работу Wi-Fi можно, используя 4G роутер. К нему нужно будет подключить две внешние антенны.

Антенны MIMO

3G/4G антенны с технологией MIMO («multiple input – multiple output» – буквально «множественный вход», «множественный выход») предназначены для одновременного решения двух задач:

• Улучшение качества связи 
• Повышение скорости передачи данных мобильного интернета

Улучшение сигнала связи 3G/4G происходит за счет конструкции антенны. MIMO антенна, представляя собой металлоконструкцию специальной формы, входит в резонанс с радиоволной определенной частоты, усиливает её и передает далее в кабель.

Повышение скорости передачи 3G/4G данных  происходит за счет применения пространственного мультиплексирования. Иначе говоря, контуры MIMO антенны расположены в разных плоскостях. Что это дает? Сигнал, передаваемый MIMO антенной в стороны базовой станции оператора, не мешает входящему сигналу, получаемому от станции, т.к. благодаря двойной конструкции антенны эти два MIMO контура (принимающий и передающий) расположены в разных плоскостях.

Панельная антенна

Как сделать 4G облучатель для спутниковой антенны своими руками

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.

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.

Важно! Производить дополнительную герметизацию необходимо даже для покупных устройств, нелишним будет поместить в корпус гидрофильное вещество (сорбент силикагель в пакетиках) и выполнять его периодическую замену

• 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).

В каких случаях следует установить роутер с внешней антенной

Уровень сигнала во многом зависит от скорости Интернета. В городе с этим вопросом проблем нет, но за чертой мегаполисов получить доступ к Сети можно только при помощи хорошего роутера с внешней антенной. Для повышения сигнала используются антенны разного типа и вида. 4G роутер с внешней антенной позволяет принимать и усиливать даже самый слабый сигнал, обеспечивая высокоскоростной доступ к Интернету практически в любом месте. Главное — правильно подобрать комплект оборудования, установить и настроить его.

Комплект оборудования:

• корпус-модем, ретранслирующий сигнал во внутрь помещения при помощи Wi-Fi;
• блок питания;
• соединительный кабель внешней антенны;
• антенна, которая может быть активной (с отдельным питанием), обеспечивающая большее усиление;
• крепление.

Важно! Набор можно приобрести целиком или его составные части раздельно

Возможности усилить сигнал 4G

Большинство пользователей, которое пользуется мобильным Интернетом как основным, при удалении от города и установленных вышек часто испытывает проблемы со скоростью соединения. Это естественно, ведь, чем дальше отойти от источника хорошей связи, тем хуже будет получаемый сигнал.

В качестве альтернативы были придуманы устройства, которые помогают улучшить качество интернет-соединения. Сперва они работали для получения телевизионного сигнала и просмотра телеканалов. С появлением кабельного ТВ и Интернета они канули в Лету.

На данный момент получили распространение антенны для ЮСБ-модема стандарта 4G или более старого 3G. Несмотря на то, что операторы мобильной связи постоянно работают над улучшением качества предоставляемых услуг, устанавливают новые вышки для большего покрытия, все равно находятся места с нестабильным сигналом. Это связано с тем, что многое зависит от рельефа местности и удаленности от базовых станций. Антенна для USB модема 4G помогает исправить ситуацию. Она предоставляет усиленный и более стабильный сигнал, с помощью которого можно повысить интернет-скорость.

Обратите внимание! Если в регионе проживания вообще нет сигнала той или иной сотовой сети, то ставить антенны и усилители нет смысла. Стоит попробовать проверить наличие связи у другого оператора

Однако если и тогда соединения не обнаружится, то альтернативой может служить спутниковый Интернет и установка специальной параболической тарелки

Стоит попробовать проверить наличие связи у другого оператора. Однако если и тогда соединения не обнаружится, то альтернативой может служить спутниковый Интернет и установка специальной параболической тарелки.

Сегодня производство подобной аппаратуры поставлено на поток. Можно выбрать любого типа:

• внутренние;
• внешние.

В свою очередь внешние делятся по направленности на однонаправленные и способные усиливать сигнал сразу с нескольких сторон. Есть еще многочастотные, то есть способные одновременно работать в нескольких частотах и диапазонах.

Такие устройства можно приобрести в магазине, что выйдет дороже, или сделать собственными руками, сэкономив средства.

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.

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.

Важно! Корреляция в простейшем понимании – это степень связи между двумя рассматриваемыми величинами. Например, амплитуда локального радиосигнала будет коррелировать с количеством влаги в воздухе на его пути, а с уровнем воды в океане – нет

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

Полезно! В простейшем случае поляризация волны – это такая характеристика, которая описывает поведение вектора амплитуды (включая его направление), может быть продольной, поперечной или круговой.

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.

Полезно! Волновой вектор – такая величина, которая определяет направление распространения волны.

МИМО – особенности

Это специальные устройства панельного типа, которые могут принимать и усиливать качество сигнала. МИМО конструкции функционируют с несколькими входами и выходами потоковых данных. По сравнению с обычной антенной, МИМО собрать гораздо сложнее. Но если пользоваться специальными схемами и соответствующими чертежами, обязательно все получится. Перед тем как выбирать антенну, необходимо учитывать, что не каждый сотовый оператор способен работать с данной технологией. Скорость передачи данных с использованием МИМО технологии, равняется 100 Мбит/с, что существенно превышает возможности стандартных устройств

Обращаем Ваше внимание на то, что устройство состоит из корпуса, внутри которого прикреплены две антенны. Оба элемента одновременно, но по разным каналам принимают и передают сигналы

Характеристики внешних усилителей для модема

Антенны – это устройства для усиления сигнала. Они бывают разных типов:

• узконаправленные;
• секторные;
• всенаправленные.

Самые простые – всенаправленные. Они могут принимать и передавать сигнал во все направления с одинаковой интенсивностью. Примером может служить обычный четвертьволновой вибратор. Если говорить упрощенно, это обычный кусок провода, имеющий длину в четверть волны принимаемого сигнала.

Секторная способна ограничивать излучение в определенном секторе. Например, если за всенаправленной антенной поставить лист железа, то получится секторная антенна с сектором в 180*. Такой лист железа называется экраном.

Самая эффективная — направленная антенна, которая является частным случаем секторной. За счет подбора (конечно же точного расчета на самом деле) кривизны экрана можно получить узко направленный луч излучения радиоволны.

Двумя основными характеристиками любого приемо-передающего устройства являются чувствительность и коэффициент усиления. Чувствительность влияет на качество принимаемого сигнала, коэффициент усилений – передаваемого. Измеряются эти параметры в dBi. Чувствительность измеряется отрицательным числом, коэффициент усиления положительным. Чем больше модули этих чисел – тем лучше, тем качественней ваше устройство. Например, чувствительность в -75dBi хуже, чем -83dBi. Коэффициент усилений 11dBi лучше, чем в 6dBi. Чем выше эти параметры, тем больше дальность устанавливаемой связи.