Направленные антенны для сотовых телефонов

В этой статье пойдет речь об использовании сотовых телефонов в зонах негарантированного покрытия, особенно там, где нет возможности провести обычный телефон. Только в последнее время резко возрос интерес к этой теме. Раньше цена на «фирменную» антенну 16,5 дБ достигала до $100 и сотовые телефоны были не так доступны. Сейчас комплект радио удлинителя с антеннами и телефонным номером с устойчивой связью на расстояниях 30-40 км реально обойдется дороже $1000, а сотовый телефон с бесплатными входящими звонками внутри сети в 9-10 раз меньше. Для экстренной связи это особенно удобно.

Некоторые пользователи сотовых телефонов не понимают, что в пределах зоны обслуживания почти каждой базовой станции независимо от принадлежности к оператору сотовой связи бывают участки с негарантированным покрытием. Это может быть офис в железобетонном подвале или внутри группы бетонных многоэтажных домов, дом на большом удалении в лесу, просто «мертвая зона» за высоким холмом. Количество базовых станций в разных районах города полностью эту проблему в отдельно взятом конкретном месте не решит. Выход только в использовании направленных внешних антенн. Конечно, при этом телефон становится менее «мобильным», так как он будет подключен через специальный адаптер к антенному кабелю, но качество связи во многих случаях становится даже лучше, чем при движении рядом с базовой станцией.

Антенна устанавливается на кронштейне или мачте на стене или крыше и направляется в сторону базовой станции, сигнал от которой принимается устойчиво. «База» совсем необязательно должна быть ближайшей, так как все зависит от рельефа местности и места установки антенны. Ориентацию антенны необходимо выполнять очень внимательно, медленно вращая антенну «по горизонту» и наблюдая за уровнем напряженности электромагнитного поля по дисплею мобильного телефона или с помощью функций инженерного меню. Дело в том, что изменение напряженности поля отображается на дисплее не сразу, а через 5-10 секунд, поэтому можно проскочить направление на самый сильный сигнал, вращая антенну быстро. В меню сотового телефона необходимо включить «непрерывный поиск сети». Пока нет регистрации в сети индикатор на дисплее работать не будет, поэтому для настройки в тяжелых условиях желательно пользоваться телефоном с активированным инженерным меню. Очень плохо работают на границе зоны покрытия телефоны со встроенными антеннами (например, NOKIA 3210), которые подключаются к внешней антенне с помощью ИНДУКТИВНОГО антенного адаптера, а не через разъём на корпусе телефона. Юстировку стационарной антенны в первый раз лучше делать с помощью специалиста, но если его нет, то пробуйте самостоятельно. Все у вас получится.

Кабель подключается к ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКИМ антеннам непосредственно к контактам, расположенным на полотнах с противоположной стороны от скоб крепления к мачте. Он может быть с волновым сопротивлением от 50 до 75 Ом. На антеннах типа «волновой канал» кабель подключается с помощью петли согласования, аналогично телевизионным антеннам. Средняя длина петли из кабеля любого типа с волновым сопротивлением 50 Ом (меряется между концами оплетки) - 120 мм, но для более точной настройки на частоту конкретной базовой станции длина петли может изменяться в небольших пределах. Кабель у антенн этого типа должен быть 50 - 58 Ом. Рассогласование кабелей может привести к искажению формы диаграммы направленности, уменьшению широкополосности антенны и усложнит настройку, хотя это и не имеет большого значения для границы зон гарантированного и негарантированного покрытия. Недостаток средств может оправдать применение кабеля с другим волновым сопротивлением, например, высокочастотного телевизионного 75 Ом. Антенна обычно устанавливается в вертикальной поляризации (штыри на стреле антенны направлены «с неба в землю», стрела располагается горизонтально и параллельно земле). При установке антенны в городе в многоэтажной застройке для работы на отраженном сигнале поляризация может измениться, нужно пробовать экспериментально. Встречаются дилетанты, которые умудряются установить антенну вертикально в небо (как штырь). На большинстве известных антенн для сотовой связи крепления сделаны под вертикальную поляризацию сигнала. Для смены поляризации достаточно повернуть крепление на 90 градусов и закрепить. У многоэлементных антенн типа «волновой канал» узкий луч диаграммы направленности, поэтому на границе покрытия точность юстировки сравнима по сложности с настройкой спутниковой антенны на спутник. Нельзя сделать вывод о возможности или невозможности использования сотового телефона в месте, где он не работает от штатной антеннки, методом «размахивания антенной на чердаке дома». Настройка производится в том месте, где антенна будет постоянно закреплена и на базовую станцию того Оператора, к которому вы будете подключены постоянно. При смене Оператора может потребоваться и новая юстировка антенны. Имеет большое значение и высота установки над уровнем земли, но в разумных пределах, иначе затухание сигнала в кабеле сведет на нет все ваши усилия. Часто больший эффект дает установка антенны на кронштейне за окном на двух метрах кабеля, чем на 10 метровой мачте в 10 метрах от дома (теорему Пифагора не забыли?). В целом, чем выше, тем лучше, но и в пределах одного метра (уже на высоте установки) нужно искать лучшее место, оно может быть на 30-40 см ниже или выше первоначального. Очень важно понимать, что от длины кабеля зависит и коэффициент усиления всей антенной системы, подсоединенной к сотовому телефону. Паспортные данные внешних антенн не учитывают длину кабеля (это касается и автомобильных антенн с круговой диаграммой направленности). Поэтому, если вам достаточно 10м кабеля и телефон хоть иногда позволяет «провести разговор», например, с крыши дома в лесу, то вы обойдетесь направленной антенной 10-11 дБ. В том же месте, если вам необходимо 15-20 метров кабеля, нужно или улучшить качество кабеля или использовать антенну усилением 13.5 -16.5 дБ, что обычно дешевле. Хороший кабель с волновым сопротивлением 50 Ом с потерями 2-2.5 дБ на 10 метров на частоте 900 МГц стоит от $2 - $3 и выше за ОДИН МЕТР. Там же, где телефон в радиусе нескольких километров или в низине вообще не находит признаки сети нужно использовать три принципа: усиление антенны - максимальное, качество кабеля - самое лучшее, длина кабеля - минимальная, по кратчайшему расстоянию.

Скорее всего, вам повезет, и связь станет устойчивой, причем количество сегментов индикатора уровня поля на дисплее телефона роли не играет, достаточно даже одного, просто телефон будет работать на максимальной мощности. Обычно на границе зоны покрытия бывает 1-2. Там же становится важным качество согласования антенны с кабелем. Это касается антенн типа «волновой канал». Изменяя длину петли согласования можно настроить антенну на среднюю частоту между приемом и передачей. Как правило, требуется улучшить передачу телефона, иначе вы будете слышать хорошо, а ваш собеседник услышит «бульканье», все-таки у передатчика «базы» мощность больше, а чувствительность такая же, как и у телефона. Уменьшая длину петли, вы повышаете резонансную частоту системы, точнее коэффициент передачи на более высоких частотах рабочего диапазона антенны, и наоборот. Частота передачи телефона всегда ниже, чем базовой станции. По инженерному меню можно узнать номер канала базовой станции, а по номеру точную частоту передачи и приема. Увеличить или уменьшить длину петли зависит от конкретной ситуации в качестве разговора и разборчивости речи, все эти действия актуальны только там, где телефон вообще не работает от штатной антеннки. После настройки необходимо тщательно закрепить антенну и загерметизировать контакты подсоединения кабеля, хотя бы лаком для ногтей из сумочки супруги.

Открываются новые возможности мобильной связи. Можно сделать подарок родителям, пользоваться телефоном на природе, в лесу, с машины в балках, временно закрепив антенну на любом подходящем столбе, дереве, составном легком алюминиевом шесте и т. д. После небольшой тренировки Вы сможете устанавливать временную антенну за очень короткое время, просто нужен опыт. Вам не придется залезать не деревья вдоль автотрассы, когда будет нужно срочно позвонить или вызвать техническую помощь, если у вас в багажнике будет небольшая (600 мм) и легкая (300 гр.) направленная логопериодическая антенна с усилением в 10 дБ. Для этого случая достаточно 1м антенного кабеля. Звонок можно сделать, направляя одной рукой антенну в сторону наиболее сильного сигнала. Мест с негарантированным покрытием на трассах еще много, несмотря на постоянное улучшение его качества.

Логопериодическая антенна (800-960 МГц)

Поддерживает стандарты GSM-900, CDMA и D-AMPS. Предназначена для использования в сетях цифровой сотовой связи GSM - 900, CDMA и D-AMPS. Логопериодическая антенна с высоким коэффициентом усиления при небольших размерах. Оригинальная конструкция с высокой стабильностью коэффициента усиления в широкой полосе частот. Возможность подключения к любому телефону стандартов GSM-900, CDMA и D-AMPS при наличии соответствующего антенного адаптера для конкретной модели телефона. Высокая надёжность и антикоррозийная стойкость, обусловленные конструкцией антенны, каждое полотно которой является одной деталью. Привлекательный внешний вид и небольшой вес.

Технические характеристики:
Диапазон частот 800 - 960 МГц
Коэффициент усиления, более 10 дБ (по всей полосе частот)
КСВН < 1.8
Входное сопротивление 50 Ом
Помехозащищенность в задних квадрантах, не менее 18 дБ
Габаритные размеры 625 х 190 х 44 мм
Вес в зависимости от типа крепления к мачте 300 - 400 г 

Некоторые базовые станции (около автотрасс или где мало абонентов ) работают с удлиненными временными интервалами (при меньшем количестве каналов) при разделении абонентских каналов узким лучом, направленным вдоль трассы. При связи узконаправленными антеннами с К=14-16дБ в идеальных условиях (прямая видимость, высокая мачта для антенны) работа сотового телефона с такими базовыми станциями возможна на расстояниях более 35 км до 40-45, так как в обычном режиме базовой станции теоретическая дальность ограничена временем интервала, выделенного для одного разговора и временной задержкой сигнала между телефоном и базовой станцией и примерно равна 34,6 км ( напрямую зависит от расстояния и скорости распространения радиоволн, так что тот, кто найдет метод увеличить скорость света будет иметь прямой городской номер на сотовом телефоне и на больших расстояниях.

10 советов для любителей автомобильных антенн на дачах
которые помогут избежать ошибок при использовании
сотового телефона на границе покрытия:

1. Кабель (например, RG-58/U длиной 10 м из автомобильной антенны (усиление 7-8 дБ) сделает 0-1 дБ или даже минус. У автомобильной антенны круговая диаграмма направленности, прием в горизонтальной плоскости со всех сторон и передача во все стороны, поэтому и низкая эффективность в условиях слабых сигналов.
2. Если телефон пропускает в доме входящие звонки, а на крыше работает нормально, то нужна не автомобильная, а стационарная внешняя направленная антенна 10-13 дБ для компенсации затухания полезного сигнала в кабеле снижения.
3. Антенный адаптер при включении в работающий телефон Motorola cd930 должен его полностью выключить, и, наоборот, телефон должен включиться сам, если в него вставить антенный адаптер. Если такого не происходит, то или адаптер "левый", нужна доработка (сопротивление между контактами переходника - 980 Ом, а лучше вернуть, где покупал) или версия прошивки не поддерживает внешние антенны.
4. Направленную антенну устанавливайте сначала в вертикальной поляризации, но поляризация может измениться, особенно на отраженном луче, попробуйте и в горизонтальной. Настройку на базовую станцию делать, как указано выше.
5. Лучше, в нарушение всех правил согласования волновых сопротивлений, поставить относительно недорогой высокочастотный телевизионный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом (например, RG-6U "Трилоджи"), чем тонкий шнурок РК-50 советского образца 1935г. Это приведет к повышению коэффициента стоячей волны, но значительно уменьшит затухание сигнала. Такую замену нельзя делать на кабелях мощных передатчиков радио удлинителей: могут выйти из строя транзисторы усилителя мощности.
6. Логопериодические антенны менее капризны, чем антенны типа "волновой канал", так как обладают практически постоянным коэффициентом усиления во всей полосе частот. На неправильно настроенных "волновых каналах" могут быть "завалы" на частоте передачи или приема. Вы слышите хорошо, а у собеседника пропадают и "булькают" слова или наоборот.
7. Если нужно использовать 15-20 метров кабеля, а деньги на покупку качественного кабеля отсутствуют, то используйте антенну на 16-17 дБ -- это обойдется дешевле.
8. При настройке антенны включите "непрерывный поиск сети" в меню мобильного телефона. Антенна должна быть в том месте (на мачте, кронштейне), где и планируется постоянное её использование, а не в руках, размахивающих ей во все стороны.
9. Максимальная дальность связи в сети GSM-900 не может быть более 35 км от базовой станции, работающей в стандартном режиме. Если даже будет индикация наличия сети, телефон не сможет зарегистрироваться.
10. Не спешите при юстировке антенны - изменение напряженности электромагнитного поля на индикаторе мобильного телефона отображается с задержкой в 5-10 секунд, за это время можно антенну повернуть на 360 градусов и не заметить самого сильного сигнала.

Как позвонить из зоны негарантированного покрытия?

Многие из вас, конечно, сталкивались с таким неприятным явлением, как невозможность в течение длительного времени дозвониться куда либо из местности с негарантированным покрытием, хотя на индикаторе поля имеются 1-2 сегмента и есть логотип Оператора сотовой связи. Для большинства телефонов это означает, что телефон зарегистрировался в сети. Несколько советов, как быстрее позвонить и принять звонок в зоне негарантированного покрытия:

• Перед звонком попробуйте проверить состояние своего счета, иногда это помогает быстрее идентифицировать ваше местонахождение с привязкой к конкретной соте.
• Станьте так, чтобы голова не закрывала предполагаемое направление на базовую станцию, во время разговора старайтесь не крутить головой во все стороны.
• Не звоните из дальнего угла ванной комнаты, забравшись в металлическую ванну, а подойдите к окну или поднимитесь как можно выше.
• Не нужно держать телефон за антенну или ее основание, держите телефон вертикально за нижнюю треть корпуса и так, чтобы антеннка имела небольшой наклон в сторону базовой станции, то есть задней крышкой к базе.
• Если вы на улице, то представьте себе, что все плоские поверхности вокруг вас (стены домов, наклонные крыши и т. д.) это зеркала, а сигнал с базовой станции это луч света. Нужно выбрать место так, чтобы ваш телефон не был освещен отраженными лучами, если есть открытое направление в сторону базы.
• Сделайте несколько попыток, если соединения не происходит.
• Ищите другое место, где направление на базу менее закрыто домами и деревьями, поднимитесь как можно выше.
• Чаще всего соединения не происходит, или оно разрывается из-за проблем с синхронизацией телефона и базовой станции. Синхронизирующие импульсы радиоканала с трудом распознаются в условиях многолучевого приема, когда слабые сигналы, идущие с разных направлений с задержкой по времени, складываются в противофазе и гасят друг друга. Часто это проявляется в горной местности и в многоэтажной застройке. Иногда может помочь перемещение телефона (в радиусе от десятков сантиметров до нескольких метров) в точку с устойчивым сигналом, определяемую только экспериментально. Еще хуже ситуация в лесу - там отраженных сигналов нет, но затухание по радиотрассе даже больше, чем в городской застройке и мощности телефона не хватает для устойчивой связи с базовой станцией. Со штатной антеннкой сигнал распространяется во все стороны и до базы вряд ли доходит даже её сотая часть. Выход только в применении направленных антенн или телефонов с большей мощностью.

Краткие рекомендации для самостоятельной установки

Антенна устанавливается на кронштейне или мачте и направляется на базовую станцию, сигнал от которой принимается устойчиво. «База» совсем необязательно должна быть ближайшей, так как все зависит от рельефа местности и места установки антенны. Ориентацию антенны необходимо выполнять очень внимательно, медленно вращая антенну «по горизонту» и наблюдая за уровнем напряженности электромагнитного поля по дисплею мобильного телефона. Дело в том, что изменение напряженности поля отображается на дисплее не сразу, а через 5-10 секунд, поэтому можно проскочить направление на самый сильный сигнал, вращая антенну быстро. При каждом изменении направления антенны на 7-8 градусов необходимо выключить сотовый телефон и включить вновь. Не забудьте установить в меню телефона непрерывную частоту поиска сети на время настройки. К логопериодической антенне кабель подключается непосредственно к контактам на полотнах (к одному контакту - оплетка, к другому - центральная жила), контакты можно не паять, но загерметизировать нужно обязательно. К антенне типа «волновой канал» кабель подключается с помощью петли согласования, как у телевизионных антенн длиной 120 мм для диапазона GSM-900. Антенна для приёма сигналов стандарта GSM-900 или D-AMPS устанавливается на мачту в вертикальной поляризации (штыри на стреле антенны направлены «с неба в землю», стрела располагается горизонтально и параллельно земле). Полярность подключения кабеля не имеет значения. Мачту нужно заземлить. Изолировать антенну от мачты не нужно.

Евгений Тамбовцев.
E-mail: mobile@antenna.dp.ua
http://www.antenna.dp.ua/page5.html