Actuellement, beaucoup utilisent Internet LTE. Cependant, si dans les grandes villes il n'y a déjà aucun problème de couverture réseau et de débit Internet, alors en banlieue, les abonnés sont confrontés au problème de mauvaise réception. La raison en est non seulement le signal faible lui-même, mais également l'occurrence de multiples réflexions de signal le long du chemin de la station de base (BS) à l'abonné. Cet article décrit le développement d'une antenne intelligente qui s'adapte aux conditions de réception du signal.
Sur Internet, il existe de nombreuses offres de vente d'antennes externes pour se connecter à des modems 4G. Et bien que les opérateurs mobiles ne le recommandent pas et menacent même de retirer le modem de la garantie, puisque les connecteurs des modems sont considérés comme exclusivement de service, les antennes externes sont assez bien vendues. Il y a quelques années, lorsque les premiers modems Yota Wimax de Samsung sont apparus, la couverture de ce réseau n'était pas très bonne, même en ville. Dans le même temps, les premières antennes externes du fabricant chinois et d'un fabricant russe, la société Resonance, sont apparues sur le marché. La norme Wimax a maintenant été remplacée par LTE, et tous les opérateurs cellulaires vendent des modems portables. Le marché des antennes externes s'est considérablement développé; des dizaines de types différents peuvent être trouvés sur Internet. Certaines entreprises proposent une installation clé en main et la création de systèmes entiers pour les maisons de campagne en utilisant des amplificateurs actifs et des antennes supplémentaires installées à l'intérieur de la maison pour la distribution locale du signal. Mais dans la grande majorité des cas, des antennes hautement directionnelles sont utilisées pour communiquer avec la station de base, le plus souvent des réseaux d'antennes imprimés ayant une largeur de faisceau d'environ 20 degrés en azimut et en élévation. Le principal problème des antennes directionnelles est qu'elles sont envoyées manuellement une fois à une BS spécifique et, en cas de perte de signal de cette BS, la communication sera interrompue. La solution à ce problème réside dans les antennes intelligentes, qui sont elles-mêmes réglées sur la station de base sans aucune intervention humaine. Le plus souvent, ils sont utilisés pour l'installation dans les véhicules et autres objets mobiles (non en Russie) ou pour créer des canaux temporaires de communication où il est nécessaire et il y a pas d'autres moyens d'établir rapidement la communication.
Les antennes intelligentes sont de deux types: adaptatives et commutables. Une antenne adaptative est, en fait, un réseau d'antennes avec la possibilité d'une synthèse instantanée du faisceau dans des directions arbitraires. Une antenne de commutation a plusieurs antennes dans des directions différentes (généralement dans un cercle), et, selon la direction dans laquelle le signal est le plus fort, telle ou telle antenne s'allume, les antennes restantes sont inactives et attendent soit un changement de position de l'abonné, soit un passage à une autre station de base, si le signal provenant de cette est devenu pour une raison quelconque plus fort. Ainsi, une antenne intelligente diffère des systèmes connus en ce qu'elle s'adapte aux conditions de réception changeantes. Souvent, le signal provenant de différentes stations de base peut varier en fonction de l'heure de la journée ou de la période de l'année. Et pourtant, grâce à cet avantage, une telle antenne peut être utilisée, par exemple, en randonnée ou en camping-car.
Afin de tester le fonctionnement d'une telle antenne en conditions réelles, l'équipe des auteurs a développé l'antenne intelligente la plus simple et la moins chère et a mené des essais sur le terrain.
On sait que la gamme de fréquences allouée au LTE est de 200 MHz - puis de 2,5 à 2,7 GHz. Afin de vérifier visuellement cela, une antenne omnidirectionnelle a été connectée à l'analyseur de spectre, l'analyseur lui-même a été commuté en mode d'accumulation et laissé assez longtemps. Les résultats sont présentés dans le graphique ci-dessus. Là, les sous-bandes des différents opérateurs sont tracées sur le graphique (des informations sur les fréquences des opérateurs se trouvent sur Internet). Des commentaires supplémentaires ne sont pas nécessaires, sauf que les canaux Wi-Fi supérieurs sont également capturés sur le graphique.
La conception proposée est un tambour de 8 faces et comprend un commutateur micro-ondes et une carte de commande. Chaque face est une antenne distincte, qui est une grille imprimée 4x1. Pour que les rayons ne se chevauchent pas, mais qu'il n'y ait pas de zones "aveugles", la largeur du faisceau en azimut est de 65 degrés et 19 degrés en élévation pour obtenir un gain élevé (il s'est avéré environ 12 dBi). Pour faciliter la fabrication, une isolation poreuse, mais suffisamment rigide, de 5 mm d'épaisseur a été utilisée comme substrat pour les patchs microruban. La constante diélectrique d'un tel matériau est proche de l'unité et la perte d'insertion est négligeable, ce qui a été testé sur un patch unique spécialement conçu. Les lignes de bande, ainsi que les écrans d'antenne, ont été découpés dans une feuille de cuivre déposée sur un mince dacron et collés avec du ruban adhésif sur le substrat. Les antennes ont été conçues pour une fréquence de 2,6 GHz, le SWR à la fréquence centrale s'est avéré proche de 1, les bords de la plage sont passés à 2, ce qui est tout à fait acceptable pour les antennes des appareils de communication.
Un commutateur à huit canaux a été fabriqué séparément, connectant l'entrée du modem à l'une des huit antennes, visant la BS avec le meilleur signal. Les diodes à broches Infineon ont été utilisées comme éléments contrôlés et le contrôle, selon les auteurs, devrait être contrôlé par une carte de contrôle qui, recevant les informations du modem, sélectionne quel côté est le meilleur pour recevoir, et ce canal s'allume également. Une telle enquête (vérification des signaux de toutes les antennes) devrait avoir lieu plusieurs fois par minute. Ainsi, avec des changements dans l'environnement de brouillage ou la force du signal de la BS, l'antenne intelligente peut choisir une direction différente. Les photos ci-dessous montrent l'interrupteur et l'antenne intelligente avec 2 toiles prises.
Des tests d'antennes intelligentes ont été effectués dans la région de Leningrad, où la couverture de tous les opérateurs est plutôt faible. Les signaux de deux opérateurs ont été vérifiés - Mégaphone et Tele2. Pour les tests, le modem Huawei E8372 a été utilisé, qui a des connecteurs «légitimes» pour connecter des antennes externes. En utilisant speedtest.net, les vitesses Internet des deux opérateurs ont été mesurées sans connecter une antenne, puis avec une antenne et basculer entre les 8 côtés. Les résultats sont montrés dans l'image ci-dessous.
La carte montre les positions des stations de base les plus proches (selon les données d'Internet), ainsi que celle vue par le téléphone avec une carte SIM Megaphone (application Network Cell Info, montrant l'emplacement du courant et plusieurs BS à proximité). Les lignes «modem MegaFon» et «modem Tele2» indiquent la vitesse Internet sans connexion d'antenne, c'est-à-dire lors de l'utilisation de l'antenne omnidirectionnelle intégrée au modem. Cette antenne reçoit des signaux de toutes les directions et pas seulement voit le signal provenant de la station de base directement (ou peut ne pas être dans le champ de vision), mais aussi des signaux à trajets multiples à partir de toutes les directions. Une antenne directionnelle ayant une amplification dans une certaine direction fonctionnera plus efficacement qu'une antenne omnidirectionnelle, même si le signal est amplifié par un amplificateur, car le bruit sera également amplifié.
Les lignes Megafon et Tele2 démontrent la vitesse d'Internet avec une antenne connectée au modem. On voit clairement que dans certaines directions le signal était significativement affaibli, dans d'autres il était amplifié, ce qui indique la sélectivité spatiale de l'antenne intelligente. Malheureusement, la vitesse d'Internet n'est pas une caractéristique technique radio, comme la force du signal ou le rapport signal / bruit, cependant, les auteurs n'ont pas pu obtenir au moins certaines informations de «service» du modem utilisé. Probablement, le logiciel d'autres modems peut fournir un accès aux informations radio, mais pas aux nôtres.
Au premier stade, l'intérêt des auteurs est entièrement satisfait, dans les plans futurs l'ajout de filtres passe-bande après les antennes pour réduire les interférences des signaux hors bande, l'ajout d'un amplificateur bidirectionnel à faible bruit avec séparation des fréquences d'émission et de réception.