Derzeit nutzen viele das LTE-Internet. Wenn es in Großstädten jedoch bereits keine Probleme mit der Netzabdeckung und der Internetgeschwindigkeit gibt, sind die Teilnehmer in den Vororten mit dem Problem des schlechten Empfangs konfrontiert. Der Grund dafür ist nicht nur das schwache Signal selbst, sondern auch das Auftreten mehrerer Signalreflexionen auf dem Weg von der Basisstation (BS) zum Teilnehmer. Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung einer intelligenten Antenne, die sich an die Bedingungen des Signalempfangs anpasst.
Im Internet gibt es viele Angebote für den Verkauf von externen Antennen für den Anschluss an 4G-Modems. Und obwohl Mobilfunkbetreiber dies nicht empfehlen und sogar drohen, das Modem aus der Garantie zu streichen, werden externe Antennen recht gut verkauft, da die Anschlüsse an den Modems ausschließlich als Service betrachtet werden. Vor einigen Jahren, als die ersten Yota Wimax-Modems von Samsung auf den Markt kamen, war die Abdeckung dieses Netzwerks selbst in der Stadt nicht sehr gut. Gleichzeitig kamen die ersten externen Antennen des chinesischen und eines russischen Herstellers, der Firma Resonance, auf den Markt. Der Wimax-Standard wurde jetzt durch LTE ersetzt, und alle Mobilfunkbetreiber verkaufen tragbare Modems. Der Markt für externe Antennen hat erheblich zugenommen, Dutzende verschiedener Typen sind im Internet zu finden. Einige Unternehmen bieten eine schlüsselfertige Installation und die Erstellung ganzer Systeme für Landhäuser mit aktiven Verstärkern und zusätzlichen Antennen an, die zur lokalen Verteilung des Signals im Haus installiert sind. In den allermeisten Fällen werden jedoch hochgerichtete Antennen verwendet, um mit der Basisstation zu kommunizieren. Meistens werden gedruckte Antennenarrays mit einer Strahlbreite von etwa 20 Grad sowohl im Azimut als auch in der Höhe verwendet. Das Hauptproblem von Richtantennen besteht darin, dass sie einmal manuell an eine bestimmte BS gesendet werden und im Falle eines Signalverlusts von dieser BS die Kommunikation unterbrochen wird. Die Lösung für dieses Problem sind intelligente Antennen, die selbst ohne menschliches Eingreifen auf die Basisstation abgestimmt sind. Meistens werden sie zur Installation auf Autos und anderen mobilen Objekten (nicht in Russland) verwendet oder um bei Bedarf temporäre Kommunikationskanäle zu erstellen, und es gibt keine anderen Möglichkeiten, um schnell eine Kommunikation herzustellen.
Es gibt zwei Arten von intelligenten Antennen: adaptive und schaltende. Eine adaptive Antenne ist in der Tat eine Antennenanordnung mit der Möglichkeit einer sofortigen Strahlsynthese in beliebigen Richtungen. Eine Schaltantenne hat mehrere Antennen in verschiedenen Richtungen (normalerweise in einem Kreis), und je nachdem, in welche Richtung das Signal stärker ist, schaltet sich diese oder jene Antenne ein, die verbleibenden Antennen sind inaktiv und warten entweder auf eine Änderung der Position des Teilnehmers oder auf einen Wechsel zu einer anderen Basisstation, wenn das Signal von dieser stammt wurde aus irgendeinem Grund stärker. Somit unterscheidet sich eine intelligente Antenne von bekannten Systemen darin, dass sie sich an sich ändernde Empfangsbedingungen anpasst. Oft kann das Signal von verschiedenen Basisstationen je nach Tageszeit oder Jahreszeit variieren. Dank dieses Vorteils kann eine solche Antenne beispielsweise zum Wandern oder in Wohnmobilen eingesetzt werden.
Um zu testen, wie eine solche Antenne unter realen Bedingungen funktioniert, entwickelte das Autorenteam die einfachste und billigste intelligente Antenne und führte Feldversuche durch.
Es ist bekannt, dass der für LTE zugewiesene Frequenzbereich 200 MHz beträgt - dann 2,5 bis 2,7 GHz. Um dies visuell zu verifizieren, wurde eine Rundstrahlantenne an den Spektrumanalysator angeschlossen, der Analysator selbst wurde in den Akkumulationsmodus geschaltet und ziemlich lange stehen gelassen. Die Ergebnisse sind in der obigen Grafik dargestellt. Dort werden die Teilbänder verschiedener Betreiber in der Grafik dargestellt (Informationen zu den Frequenzen der Betreiber finden Sie im Internet). Zusätzliche Kommentare sind nicht erforderlich, außer dass die oberen Wi-Fi-Kanäle ebenfalls in der Tabelle erfasst werden.
Das vorgeschlagene Design ist eine Trommel mit 8 Flächen und umfasst einen Mikrowellenschalter und eine Steuerplatine. Jedes Gesicht ist eine separate Antenne, bei der es sich um ein 4x1-Raster handelt. Damit sich die Strahlen nicht überlappen, es aber keine "blinden" Zonen gibt, beträgt die Strahlbreite im Azimut 65 Grad und 19 Grad Höhe, um eine hohe Verstärkung zu erzielen (es stellte sich heraus, dass sie etwa 12 dBi beträgt). Zur Erleichterung der Herstellung wurde eine poröse, aber ausreichend starre, 5 mm dicke Isolierung als Substrat für die Mikrostreifenpflaster verwendet. Die Dielektrizitätskonstante eines solchen Materials ist nahezu eins, und der Einfügungsverlust ist vernachlässigbar, was an einem speziell hergestellten Einzelpflaster getestet wurde. Die Streifenlinien sowie die Antennenschirme wurden aus Kupferfolie herausgeschnitten, die auf einem dünnen Dacron abgeschieden und mit Klebeband auf das Substrat geklebt war. Die Antennen wurden für eine Frequenz von 2,6 GHz ausgelegt, das SWR bei der Mittenfrequenz lag nahe bei 1, an den Rändern des Bereichs stieg es auf 2, was für Antennen von Kommunikationsgeräten durchaus akzeptabel ist.
Ein Achtkanalschalter wurde separat hergestellt, der den Modemeingang mit einer von acht Antennen verband, die auf die BS mit dem besten Signal gerichtet waren. Infineon-Pin-Dioden wurden als gesteuerte Elemente verwendet, und die Steuerung sollte gemäß der Absicht der Autoren von einer Steuerkarte gesteuert werden, die beim Empfang von Informationen vom Modem auswählt, welche Seite am besten zu empfangen ist, und dieser Kanal wird ebenfalls eingeschaltet. Eine solche Vermessung (Überprüfung der Signale aller Antennen) sollte mehrmals pro Minute erfolgen. Somit kann die intelligente Antenne bei Änderungen der Störumgebung oder der Signalstärke von der BS eine andere Richtung wählen. Die Fotos unten zeigen den Schalter und die intelligente Antenne mit 2 aufgenommenen Leinwänden.
In der Region Leningrad wurden intelligente Antennentests durchgeführt, bei denen die Abdeckung aller Betreiber eher gering ist. Die Signale von zwei Bedienern wurden überprüft - Megaphone und Tele2. Zum Testen wurde das Huawei E8372-Modem verwendet, das über „legitime“ Anschlüsse zum Anschließen externer Antennen verfügt. Mit speedtest.net wurden die Internetgeschwindigkeiten beider Betreiber ohne Anschluss einer Antenne und anschließend mit einer Antenne gemessen und zwischen allen 8 Seiten gewechselt. Die Ergebnisse sind in der Abbildung unten dargestellt.
Die Karte zeigt die Positionen der nächstgelegenen Basisstationen (gemäß Daten aus dem Internet) sowie die Position, die das Telefon mit einer Megaphon-SIM-Karte (Network Cell Info-Anwendung, die den Standort der aktuellen und mehrerer nahegelegener BS anzeigt) sieht. Die Zeilen „MegaFon-Modem“ und „Tele2-Modem“ zeigen die Internetgeschwindigkeit ohne Anschluss einer Antenne an, dh wenn die im Modem integrierte Rundstrahlantenne verwendet wird. Eine solche Antenne empfängt Signale von allen Seiten und sieht nicht nur das Signal direkt von der Basisstation (oder es befindet sich möglicherweise überhaupt nicht in direkter Sichtlinie), sondern auch die reflektierten Signale aus allen Richtungen. Eine Richtantenne mit einer Verstärkung in einer bestimmten Richtung arbeitet effizienter als eine Rundstrahlantenne, selbst wenn das Signal von einem Verstärker verstärkt wird, da auch Rauschen verstärkt wird.
Die Megafon- und Tele2-Leitungen demonstrieren die Geschwindigkeit des Internets mit einer an das Modem angeschlossenen Antenne. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Signal in bestimmten Richtungen signifikant geschwächt war, in anderen wurde es verstärkt, was auf die räumliche Selektivität der intelligenten Antenne hinweist. Leider ist die Geschwindigkeit des Internets kein funktechnisches Merkmal wie Signalstärke oder Signal-Rausch-Verhältnis. Die Autoren waren jedoch nicht in der Lage, zumindest einige "Dienst" -Informationen vom verwendeten Modem zu erhalten. Wahrscheinlich kann die Software anderer Modems Zugriff auf Funkinformationen bieten, nicht jedoch auf unsere.
In der ersten Phase ist das Interesse der Autoren durchaus befriedigt, in Zukunft ist die Hinzufügung von Bandpassfiltern nach Antennen geplant, um Interferenzen durch Außerbandsignale zu reduzieren, die Hinzufügung eines bidirektionalen rauscharmen Verstärkers mit Trennung von Sende- und Empfangsfrequenzen.