Actualmente, muchos usan internet LTE. Sin embargo, si en las grandes ciudades ya no hay problemas con la cobertura de la red y la velocidad de Internet, en los suburbios, los suscriptores se enfrentan al problema de la mala recepción. La razón de esto no es solo la señal débil en sí misma, sino también la aparición de múltiples reflexiones de señal en el camino desde la estación base (BS) hasta el suscriptor. Este artículo describe el desarrollo de una antena inteligente que se adapta a las condiciones de recepción de la señal.
En Internet, hay muchas ofertas para la venta de antenas externas para conectarse a módems 4G. Y aunque los operadores móviles no recomiendan esto e incluso amenazan con quitar el módem de la garantía, ya que los conectores de los módems se consideran exclusivamente de servicio, las antenas externas se venden bastante bien. Hace unos años, cuando aparecieron los primeros módems Yota Wimax de Samsung, la cobertura de esa red no era muy buena incluso en la ciudad. Al mismo tiempo, aparecieron en el mercado las primeras antenas externas del fabricante chino y uno ruso, la compañía Resonance. El estándar Wimax ahora ha sido reemplazado por LTE, y todos los operadores celulares están vendiendo módems portátiles. El mercado de antenas externas se ha expandido significativamente; se pueden encontrar docenas de diferentes tipos en Internet. Algunas compañías ofrecen instalación llave en mano y la creación de sistemas completos para casas de campo utilizando amplificadores activos y antenas adicionales instaladas dentro de la casa para la distribución local de la señal. Pero en la gran mayoría de los casos, se utilizan antenas altamente direccionales para comunicarse con la estación base, la mayoría de las veces impreso antenas con un ancho de haz de aproximadamente 20 grados tanto en acimut como en elevación. El principal problema de las antenas direccionales es que se envían manualmente una vez a una BS específica y, en el caso de una pérdida de señal de esta BS, la comunicación se interrumpirá. La solución a este problema son las antenas inteligentes, que están sintonizadas a la estación base sin intervención humana. Con mayor frecuencia, se utilizan para instalar en automóviles y otros objetos móviles (no en Rusia) o para crear canales de comunicación temporales cuando sea necesario y no hay otras formas de establecer rápidamente la comunicación.
Las antenas inteligentes vienen en dos tipos: adaptativas y de conmutación. Una antena adaptativa es, de hecho, un conjunto de antenas con la posibilidad de síntesis instantánea del haz en direcciones arbitrarias. Una antena de conmutación tiene varias antenas en diferentes direcciones (generalmente en un círculo) y, dependiendo de en qué dirección la señal sea más fuerte, esta o aquella antena se enciende, las antenas restantes están inactivas y esperan un cambio en la posición del suscriptor o un cambio a otra estación base, si la señal de esa se hizo por alguna razón más fuerte. Por lo tanto, una antena inteligente difiere de los sistemas conocidos en que se adapta a las condiciones de recepción cambiantes. A menudo, la señal de diferentes estaciones base puede variar según la hora del día o la época del año. Y, sin embargo, gracias a esta ventaja, dicha antena se puede utilizar, por ejemplo, en caminatas o en autocaravanas.
Para probar cómo funcionará dicha antena en condiciones reales, el equipo de autores desarrolló la antena inteligente más simple y barata y realizó pruebas de campo.
Se sabe que el rango de frecuencia asignado para LTE es de 200 MHz, luego de 2.5 a 2.7 GHz. Para verificar esto visualmente, se conectó una antena omnidireccional al analizador de espectro, el analizador se cambió al modo de acumulación y se dejó durante un tiempo bastante largo. Los resultados se muestran en el gráfico anterior. Allí, las sub-bandas de varios operadores se trazan en el gráfico (la información sobre las frecuencias de los operadores se encuentra en Internet). No se requieren comentarios adicionales, excepto que los canales superiores de Wi-Fi también se capturan en el gráfico.
El diseño propuesto es un tambor de 8 caras e incluye un interruptor de microondas y un tablero de control. Cada cara es una antena separada, que es una cuadrícula impresa 4x1. Para que los rayos no se superpongan, pero no hay zonas "ciegas", el ancho del haz en azimut es de 65 grados y 19 grados de elevación para lograr una alta ganancia (resultó aproximadamente 12 dBi). Para facilitar la fabricación, se usó un aislamiento poroso, pero suficientemente rígido, de 5 mm de espesor como sustrato para los parches de microcinta. La constante dieléctrica de dicho material está cerca de la unidad, y la pérdida de inserción es insignificante, que se probó en un parche único especialmente hecho. Las líneas de la tira, así como las pantallas de la antena, se cortaron de papel de cobre depositado en un delgado dacrón y se pegaron con cinta adhesiva al sustrato. Las antenas fueron diseñadas para una frecuencia de 2.6 GHz, la ROE en la frecuencia central resultó estar cerca de 1, en los bordes del rango aumentó a 2, lo cual es bastante aceptable para antenas de dispositivos de comunicación.
Se fabricó por separado un conmutador de ocho canales que conectaba la entrada del módem a una de las ocho antenas, dirigido a la BS con la mejor señal. Los diodos pin Infineon se usaron como elementos controlados, y el control, según los autores, debe ser controlado por un panel de control que, al recibir información del módem, selecciona qué lado es el mejor para recibir, y ese canal también se enciende. Dicha encuesta (comprobación de las señales de todas las antenas) debe realizarse varias veces por minuto. Por lo tanto, con los cambios en el entorno de interferencia o la intensidad de la señal de la BS, la antena inteligente puede elegir una dirección diferente. Las siguientes fotos muestran el interruptor y la antena inteligente con 2 lienzos tomados.
Las pruebas de antena inteligente se realizaron en la región de Leningrado, donde la cobertura de todos los operadores es bastante débil. Se verificaron las señales de dos operadores: megáfono y Tele2. Para las pruebas, se utilizó el módem Huawei E8372, que tiene conectores "legítimos" para conectar antenas externas. Usando speedtest.net, las velocidades de Internet de ambos operadores se midieron sin conectar una antena, y luego con una antena y cambiar entre los 8 lados. Los resultados se muestran en la imagen a continuación.
El mapa muestra las posiciones de las estaciones base más cercanas (según los datos de Internet), así como la vista por el teléfono con una tarjeta SIM de megáfono (aplicación Network Cell Info, que muestra la ubicación de la BS actual y varias cercanas). Las líneas "Módem MegaFon" y "Módem Tele2" muestran la velocidad de Internet sin conectar una antena, es decir, cuando se utiliza la antena omnidireccional integrada en el módem. Dicha antena recibe señales desde todos los lados y ve no solo la señal directamente desde la estación base (o puede que no esté en línea directa de visión), sino también las señales reflejadas desde todas las direcciones. Una antena direccional que tenga amplificación en una determinada dirección funcionará más eficientemente que una antena omnidireccional, incluso si la señal es amplificada por un amplificador, ya que el ruido también se amplificará.
Las líneas Megafon y Tele2 demuestran la velocidad de Internet con una antena conectada al módem. Se puede ver claramente que en ciertas direcciones la señal se debilitó significativamente, en otras se amplificó, lo que indica la selectividad espacial de la antena inteligente. Desafortunadamente, la velocidad de Internet no es una característica técnica de radio, como la intensidad de la señal o la relación señal / ruido, sin embargo, los autores no pudieron obtener al menos alguna información de "servicio" del módem utilizado. Probablemente, el software de otros módems puede proporcionar acceso a información de radio, pero no a la nuestra.
En la primera etapa, el interés de los autores está completamente satisfecho, en los planes futuros la adición de filtros de paso de banda después de las antenas para reducir la interferencia de las señales fuera de banda, la adición de un amplificador bidireccional de bajo ruido con separación de frecuencias de transmisión y recepción.