Atualmente, muitos usam a internet LTE. No entanto, se nas grandes cidades já não houver problemas com a cobertura da rede e a velocidade da Internet, nos subúrbios, os assinantes serão confrontados com o problema de má recepção. A razão para isso não é apenas o sinal fraco em si, mas também a ocorrência de múltiplas reflexões de sinal ao longo do caminho desde a estação base (BS) até o assinante. Este artigo descreve o desenvolvimento de uma antena inteligente que se adapta às condições de recepção do sinal.
Na Internet, existem muitas ofertas para a venda de antenas externas para conexão com modems 4G. E embora as operadoras móveis não recomendem isso e até ameacem remover o modem da garantia, uma vez que os conectores nos modems são considerados exclusivamente serviços, as antenas externas são vendidas muito bem. Alguns anos atrás, quando os primeiros modems Yota Wimax da Samsung apareceram, a cobertura dessa rede não era muito boa, mesmo na cidade. Ao mesmo tempo, surgiram no mercado as primeiras antenas externas do fabricante chinês e de um russo, a empresa Ressonância. O padrão Wimax agora foi substituído pelo LTE, e todas as operadoras de celular estão vendendo modems portáteis. O mercado de antenas externas expandiu-se significativamente; dezenas de tipos diferentes podem ser encontrados na Internet. Algumas empresas oferecem instalação turnkey e a criação de sistemas inteiros para casas de campo usando amplificadores ativos e antenas adicionais instaladas dentro da casa para distribuição local do sinal. Porém, na grande maioria dos casos, antenas altamente direcionais são usadas para se comunicar com a estação base, na maioria das vezes as matrizes de antenas impressas têm uma largura de feixe de cerca de 20 graus, tanto em azimute quanto em elevação. O principal problema das antenas direcionais é que elas são enviadas manualmente uma vez para um BS específico e, no caso de perda de sinal desse BS, a comunicação será interrompida. A solução para esse problema são as antenas inteligentes, que são sintonizadas na estação base sem nenhuma intervenção humana. Na maioria das vezes, eles são usados para instalar em carros e outros objetos móveis (não na Rússia) ou para criar canais de comunicação temporários quando necessário e não há outras maneiras de estabelecer comunicação rapidamente.
As antenas inteligentes são de dois tipos: adaptável e comutador. Uma antena adaptativa é, de fato, um conjunto de antenas com a possibilidade de síntese instantânea de feixes em direções arbitrárias. Uma antena de comutação possui várias antenas em direções diferentes (geralmente em círculo) e, dependendo da direção em que o sinal é mais forte, esta ou aquela antena liga, as antenas restantes ficam inativas e aguardam uma alteração na posição do assinante ou uma mudança para outra estação base, se o sinal dessa por algum motivo ficou mais forte. Assim, uma antena inteligente difere dos sistemas conhecidos por se adaptar às mudanças nas condições de recepção. Freqüentemente, o sinal de diferentes estações base pode variar dependendo da hora do dia ou da época do ano. E, no entanto, graças a essa vantagem, essa antena pode ser usada, por exemplo, em caminhadas ou em trailers.
Para testar como essa antena funcionará em condições reais, a equipe de autores desenvolveu a antena inteligente mais simples e barata e realizou testes de campo.
Sabe-se que a faixa de frequência alocada para o LTE é de 200 MHz - depois de 2,5 a 2,7 GHz. Para verificar visualmente isso, uma antena omnidirecional foi conectada ao analisador de espectro, o analisador foi alterado para o modo de acumulação e deixado por um longo período de tempo. Os resultados são mostrados no gráfico acima. Lá, as sub-bandas de vários operadores são plotadas no gráfico (informações sobre as frequências dos operadores são encontradas na Internet). Comentários extras não são necessários, exceto que os canais Wi-Fi superiores também são capturados no gráfico.
O projeto proposto é um tambor de 8 faces e inclui um interruptor de microondas e uma placa de controle. Cada face é uma antena separada, que é uma grade impressa 4x1. Para que os raios não se sobreponham, mas não haja zonas "cegas", a largura do feixe em azimute é de 65 graus e 19 graus de elevação para obter alto ganho (resultou em cerca de 12 dBi). Para facilitar a fabricação, um isolamento poroso, mas suficientemente rígido, com 5 mm de espessura foi usado como substrato para os adesivos de micro-tira. A constante dielétrica de um material desse tipo está próxima da unidade e a perda de inserção é insignificante, que foi testada em um adesivo único feito especialmente. As linhas de tiras, assim como as telas das antenas, foram recortadas em uma folha de cobre depositada em um dacron fino e coladas com fita adesiva ao substrato. As antenas foram projetadas para uma frequência de 2,6 GHz, o SWR na frequência central ficou próximo de 1, nas bordas da faixa subiu para 2, o que é bastante aceitável para antenas de dispositivos de comunicação.
Um switch de oito canais foi fabricado separadamente, conectando a entrada do modem a uma das oito antenas, voltadas para o BS com o melhor sinal. Os diodos de pinos Infineon foram usados como elementos controlados, e o controle, de acordo com a intenção dos autores, deve ser controlado por uma placa de controle que, recebendo informações do modem, seleciona qual lado é o melhor a receber e esse canal também liga. Essa pesquisa (verificação dos sinais de todas as antenas) deve ocorrer várias vezes por minuto. Assim, com mudanças no ambiente de interferência ou intensidade do sinal do BS, a antena inteligente pode escolher uma direção diferente. As fotos abaixo mostram o switch e a antena inteligente com 2 telas tiradas.
Testes de antenas inteligentes foram realizados na região de Leningrado, onde a cobertura de todos os operadores é bastante fraca. Os sinais de duas operadoras foram verificados - Megafone e Tele2. Para o teste, foi utilizado o modem Huawei E8372, que possui conectores “legítimos” para conectar antenas externas. Usando o speedtest.net, as velocidades da Internet de ambos os operadores foram medidas sem conectar uma antena e, em seguida, com uma antena e alternando entre os oito lados. Os resultados são mostrados na figura abaixo.
O mapa mostra as posições das estações base mais próximas (de acordo com os dados da Internet), bem como a vista pelo telefone com um cartão SIM Megaphone (aplicativo Network Cell Info, mostrando a localização da BS atual e de várias proximidades). As linhas “modem MegaFon” e “modem Tele2” mostram a velocidade da Internet sem conectar uma antena, ou seja, ao usar a antena omnidirecional embutida no modem. Essa antena recebe sinais de todos os lados e vê não apenas o sinal diretamente da estação base (ou pode não estar na linha de visão direta), mas também os sinais refletidos de todas as direções. Uma antena direcional com amplificação em uma determinada direção funcionará mais eficientemente que uma antena omnidirecional, mesmo que o sinal seja amplificado por um amplificador, uma vez que o ruído também será amplificado.
As linhas Megafon e Tele2 demonstram a velocidade da Internet com uma antena conectada ao modem. Pode-se ver claramente que em certas direções o sinal foi significativamente enfraquecido, em outras foi amplificado, o que indica a seletividade espacial da antena inteligente. Infelizmente, a velocidade da Internet não é uma característica técnica de rádio, como intensidade do sinal ou relação sinal / ruído; no entanto, os autores não foram capazes de obter pelo menos algumas informações de "serviço" do modem usado. Provavelmente, o software de outros modems pode fornecer acesso a informações de rádio, mas não as nossas.
Na primeira etapa, o interesse dos autores é bastante satisfeito, no futuro planeja a adição de filtros passa-banda após antenas para reduzir a interferência de sinais fora da banda, a adição de um amplificador bidirecional de baixo ruído com separação das frequências de transmissão e recepção.