Внешняя антенна для сотового телефона стандарта GSM

Радиус действия сотового телефона можно увеличить, оснастив его внешней выносной направленной антенной GSM. О том, как самостоятельно изготовить такую антенну, и рассказано в предлагаемой статье. Антенну с успехом можно использовать на даче, в удаленном загородном доме, и даже, учитывая ее небольшие размеры, в полевых условиях.

В достоинствах сотовой телефонной связи убеждаются на собственном опыте новые и новые пользователи сотовых телефонов. Возможность в любое время и практически из любого места связаться по телефону с нужным абонентом делает этот вид связи, возможно, самым популярным и привлекательным

Но помимо многочисленных и неоспоримых достоинств сотовой телефонии, как и всякому техническому средству, присущи и некоторые недостатки Вспомним о необходимости платить за каждую секунду разговора Кроме того, для сотовой связи характерны такие явления, как наличие "мертвых" зон и ухудшение качества связи при значительном удалении от антенны ближайшей базовой станции

Многим пользователям сотовых телефонов, наверное, знакома ситуация, когда приходится долго искать место, в котором аппарат может осуществить устойчивое подключение к сети. Причем такие ситуации возникают не только вдали от антенны базовой станции сети (что характерно для удаленных мест, например, на садовом участке), но и в городе, где сигнал базовой станции может экранироваться зданиями, элементами строительных конструкций и т.п.

Помочь в этих случаях может внешняя антенна, подключенная к мобильному телефону. Она, конечно, ограничивает мобильность абонента, "привязывает" его к этой антенне, но это ограничение может оказаться не столь уж дорогой платой за качественную связь

При разработке стационарной внешней антенны для сотового телефона была выбрана конструкция зигзагообразной антенны [1, 2], широко применяемая в профессиональной связи и популярная у радиолюбителей и телезрителей

Антенны этого типа в диапазоне частот, используемых в сотовой телефонии, позволяют реализовать хорошие характеристики при небольших габаритах, достаточно просты в изготовлении и настройке, обладают хорошей повторяемостью параметров при их производстве.

Зигзагообразная антенна состоит из восьми замкнутых проводников длиной L, образующих две ромбовидные ячейки (см. рисунок). Конструкция антенны такова, что ее проводники, возбуждаемые в точках А и Б, образуют своеобразную синфазную антенную решетку из четырех вибраторов. Пучности (максимумы) тока располагаются у точек питания и в углах, обозначенных буквами П. Антенна имеет линейную поляризацию, в показанном на рисунке случае - вертикальную

Диаграмма направленности антенны сохраняется в диапазоне частот с перекрытием f_max/f_min = 2. 2,5 Характеристика направленности антенны симметрична относительно плоскости расположения ее проводников.

Для увеличения направленности зигзагообразной антенны применяют рефлектор, отражающий падающую на него часть энергии в сторону полотна антенны Фаза поля, отраженного рефлектором, в плоскости полотна антенны должна быть близка к фазе поля, излучаемого самим полотном, тогда сложение синфазных полей излучаемого и отраженного сигналов увеличивает коэффициент направленного действия (КНД) антенны. Фаза отраженного поля зависит от формы и размеров экрана, но, главным образом, и от расстояния между ним и полотном антенны.

Стандарт сотовой связи GSM предусматривает работу систем связи в диапазонах частот 890 960 МГц для GSM-900 и 1710. 1880 МГц для GSM-1800 [3, с 102], причем на частотах 935...960 МГц и 1805...1880 МГц организуется прямой канал, а на частотах 890 .915 МГц и 1710 . 1785 МГц - обратный канал. В диапазоне частот 890 ..960 МГц антенна имеет коэффициент бегущей волны (КБВ) не хуже 0,77 и КНД не хуже 7 дБ по сравнению с полуволновым диполем. В диапазоне частот 1710...1880 МГц КБВ антенны не хуже 0,5, а КНД - не хуже 6 дБ.

Конструкция антенны GSM ясна из рисунка.

Основной расчетный параметр определяет рабочую частоту антенны. Для зигзагообразной антенны коэффициент направленного действия - КНД оказывается максимальным при = 0,4.

Максимальный КБВ = 0,8 достигается при отношениях = 0,25. ..0,5 КБВ составляет величину не менее 0,5. Поэтому для средней частоты рабочего диапазона антенны была выбрана величина L = 80 мм, при этом = L / /\ ~0.37.

Помимо L, на величину КБВ влияют ширина вибраторов антенны d и расстояние от полотна антенны до рефлектора. Обычно рекомендуется выбирать d = 0,033/\.max,, где /\.max - максимальная длина волны рабочего диапазона антенны.

В нашем случае d - 10 мм. С точки зрения повышения КНД антенны расстояние до рефлектора желательно уменьшать, а с точки зрения согласования - увеличивать. В данной конструкции оно составляет 45 мм, что обеспечивает указанные выше характеристики антенны.

Полотно антенны 1 и рефлектор 2 изготовлены из односторонне фольгированного стеклотекстолита марки СФ-1 толщиной 1...1.5 мм.

Полотно антенны образовано двумя симметричными квадратными ячейками, которые вырезаются из фольгированного стеклотекстолита с внешней стороны по контуру антенны. Внутренний контур зигзагообразной антенны процарапывается резаком со стороны фольги, после чего фольга изнутри контура антенны удаляется.

Для облегчения процесса удаления фольги ее можно предварительно прогреть мощным паяльником. При желании можно удалить и большую часть диэлектрика внутри контура антенны.

В точках, близких к вершинам ячеек антенного полотна, сверлятся отверстия под винт МЗ или М4. Такие же отверстия сверлятся в рефлекторе 2 (экране). Полотно антенны 1, с одной стороны, и рефлектор 2, с другой, привинчиваются к стойкам 3 винтами Стойки изготавливаются из любого диэлектрического материала (фторопласт, гетинакс, оргстекло и т. п.), можно поставить и металлические стойки. Внутри них с каждой стороны сверлятся отверстия диаметром 2,4 или 3,2 мм на глубину примерно 10 мм под винты с резьбой МЗ или М4. Антенна питается коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом. К точке б припаивают центральный проводник кабеля, освобожденный от экранирующей оплетки, а к точке А - оплетку (экран).

Кабель прокладывают вдоль вибраторов, образующих одну из сторон ячейки антенны, и выводят через точку нулевого потенциала антенного полотна П. Для крепления кабеля его можно припаять луженым проводом к вибратору антенны. Далее кабель закрепляют на стойке и выводят через отверстие в экране антенны. К концу фидера припаивают разъем FME 740, к которому привинчивается переходник (антенный адаптер, его можно приобрести а салонах сотовой связи) под разъем внешней антенны сотового телефона.

Следует отметить, что величина КБВ сильно зависит от типа применяемого коаксиального кабеля. Как правило, чем тоньше кабель, тем больше его затухание, что ухудшает характеристики антенны. В то же время тонкий кабель при подсоединении его к телефонному аппарату меньше сковывает движения абонента, такой кабель удобнее подключать к антенному адаптеру. В общем случае, если расстояние от точки, в которой антенна обеспечивает приемлемое качество сигнала, до места расположения телефонного аппарата составляет не более 2...4 м (например, антенна располагается внутри помещения у окна), то можно использовать более тонкий кабель с полиэтиленовым диэлектриком (например РК 50-1,5-11).

Если же для обеспечения приемлемого сигнала антенну требуется выносить на большее расстояние, требования к фидеру ужесточаются. Неплохими характеристиками для данного случая обладают кабели РК 50-2-21, РК 50-2-2. В описываемой конструкции в качестве фидера длиной 2,5 м использовался высокочастотный коаксиальный кабель РК 50-2-21 с коэффициентом затухания на частоте 900 МГц не более 0,6 дБ/м, на частоте 2 ГГц - 0,8 дБ/м.

Если предполагается использовать антенну вне помещения, для снижения парусности конструкции рефлектор можно сделать в виде решетки из металлических прутков или трубок, расположенных на расстоянии 0,05 /\-min друг от друга, здесь /\min, - минимальная длина волны рабочего диапазона частот. Элементы рефлектора ориентируют параллельно линии А-Б, т. е. в плоскости поляризации. Для заземления антенны соединяют точки П - П антенного полотна с экраном металлическими стойками, а сам экран надежно крепят к заземляющей шине (мачте, опоре). Внутри антенного полотна удаляют стеклотекстолит, освобожденный от фольги, а элементы вибраторов антенного полотна защищают антикоррозийным покрытием с малыми диэлектрическими потерями

При испытании антенна позволила увеличить сигнал с двух градаций шкалы индикатора сотового телефона Motorola M3788 до четырех, что обеспечило качественную телефонную связь.

Если получившегося усиления антенны недостаточно, увеличить его можно построением антенной решетки, например, из двух или четырех зигзагообразных антенн, либо используя рефлектор типа "усеченный" рупор [2, с. 77]. Но эти решения значительно усложняют изготовление и настройку антенны и поэтому автором не опробованы.

Данные по частотам и длинам волн различных стандартов сотовой связи приведены в таблице.

Воспользовавшись ими и пересчитав линейные размеры, можно сконструировать подобные антенны и для других диапазонов.

Литература

1. Харченко К. П. УКВ антенны - М : ДОСААФ. 1969.
2. Харченко К. П. Антенна диапазона ДЦВ Сб.- "В помощь радиолюбителю", вып. 94, с. 68-79 - М.: ДОСААФ. 1986.
3. Ратынский М.В., Телегин А.В. Телефон в кармане. Путеводитель по сотовой связи. - М.: Радио и связь, 2000.