Решение проблемы приема слабого сигнала 3G-модема от «Мегафон»

In the article considered the antenna Kharchenko for small-signal gain of the 3G modem megaphone. The results of the calculation of the structural elements of the antenna to obtain the optimum performance.

Key words:antennaKharchenko,the third generation network, 3G modem,3Gmodemsignal amplificationbymegaphone.

Ни для кого не секрет, что ключом к успеху радиолюбителя является эффективная антенна. При современном насыщении эфира радиолюбителей это утверждение набирает еще существенное значение, поскольку слабые сигналы глушатся среди помех. Любой радиолюбитель рано или поздно приходит к выводу, что только с хорошей антенной системой можно достигнуть спортивного успеха. Никто еще не отменял старинное утверждение, что «Хорошая антенна лучше самого хорошего усилителя».

Идеальной антенны, дающей отличные результаты при различных условиях, не существует. Поэтому перед любым радиоинженером встает вопрос выбора типа антенны, наиболее максимально подходящей для его требований [1].

В 60-х годах К. П. Харченко была предложена антенна с конструкцией в виде восьмерки. Этот вариант оказался не критичным к материалам и размерам при изготовлении, имеет хорошее согласование с отходящим кабелем. В ней удачно сочетаются кратные элементы синфазной антенной решётки с одной точкой питания.

В предисловии книги «УКВ антенны», выпущенной в 1969 г., К. П. Харченко сообщил, что многие радиолюбители, используя зигзагообразные антенны, вели приём телевизионных передач в диапазоне МВ, в том числе от телецентров, удалённых на 80, 120, 200 и даже 300 км. И действительно, из истории техники того времени можно узнать, что в удалённых от телецентров местностях зигзагообразные антенны вытесняли антенны «волновой канал» и другие конструкции. Кроме этого, антенны Харченко были также удостоены внимания военных, воспользовавшихся их положительными качествами в радиорелейной связи диапазона ДМВ. Однако более широкого распространения эти антенны не получили, поскольку в это время рынок обеспечивали известные антенны типа «волновой канал».

Эффективность зигзагообразной антенны можно повысить за счёт улучшения направленности, применив экран-рефлектор, отстоящий от основного полотна на λср/4. Это может привести к увеличению коэффициента усиления до 14,6 дБи.

Вид конструкции антенны типа Харченко приводится на рисунке 1.

Рис. 1. Конструкция антенны Харченко с рефлектором.

За счёт дополнительной модернизации активного рефлектора, можно ещё больше улучшить характеристики предложенного решения. Особенно это касается увеличения коэффициента усиления и его выравнивания на верхних частотах интервала. Кроме того, антенна в широком диапазоне частот имеет КСВ менее двух [2].

При расчете антенны Харченко придерживаются тех же принципов, что и при расчете любой антенны. Вначале идет приблизительный расчет конструкции, основанный на теории, а затем полученные параметры уточняются в специальных математических программных продуктах, где основами расчетов является Максвелловская система уравнений, например программа MMana-GAL.

Предположим, требуется усилить сигнал 3G модема от оператора Мегафон, работающий на частоте 2100 МГц. Согласование точек питания антенны требуется обеспечить на волновое сопротивление Z=75 Ом. Сотоваясвязь 3-го поколения 3G/UMTS2100, как известно, в России работает на частотах Uplink 1920–1980 МГц и Downlink 2110–2170 МГц [3].

Рис. 2. Распределение частот операторов Скайлинк, Мегафон, МТС, Билайн в стандарте 3G/2100

Исходя из рисунка 2, можно сказать, что полоса частот сотовой связи 3 поколения МГц для любого из представленных операторов. В процессе моделирования антенны требуется достичь хорошей направленности главного лепестка диаграммы направленности для получения хорошего усиления сигнала. На рисунке 3 показан вид диаграммы направленности в полярной системе координат.

Так как необходимо спроектировать антенну на прием в диапазоне 2125–2140 МГц, возьмем среднюю частоту сигнала МГц. Каждая сторона антенны должна иметь длину, равную , где ,. Оптимальным вариантом является коэффициент к=0.25 со стороны хорошего согласования зажимов антенны линией питания, а со стороны усиления-0.375 [2].

Рассчитаем стороны l антенны.

м;

Диаметр проводника излучателя выберем равным 0.2 см. Если не будет хватать усиления и согласования, увеличим это значение на несколько порядков.

Оптимальный угол между проводниками со стороны хорошего согласования

За антенной на расстоянии см. установим экран-рефлектор для улучшения усиления.

Моделирование антенны в программном продукте MMana-GAL показало следующие характеристики:

Рис. 3. Диаграмма направленности антенны Харченко

Рис. 4. Коэффициент стоячей волны и усиление соответственно

Как видно на графиках, параметры получились лучше некуда! Антенна может принять сигнал в своем рабочем диапазоне с усилением 13–14 дБ по отношению к диполю, а отношение излучения вперед/назад в 20 раз. График КСВ также показывает, что можно обойтись без согласующего устройства.

Таким образом, предложено оптимальное решение усиления сигнала 3-го поколения при слабой мощности приема. Остается только узнать, в каком направлении находится ближайшая базовая станция сети Мегафон, чтобы направить прием в эту сторону.

Литература:

1.                Karl Rothammel, «Antennenbuch», Militarverlag der Deutschen Demokratishen Republic (VEB), Berlin, 1968.
2.                К. П. Харченко, «Антенны УКВ», 1969г.
3.                Электронный ресурс, сайт: http://www.exclusive-comfort.ru/faq-chastoty-svyazi-gsm.shtml, дата обращения: 17.01.2016г.
4.                С. Н. Шабунин, Л. Л. Лесная, «Распространение радиоволн в мобильной связи»: Методические указания по курсу “Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в системах мобильной связи», Екатеринбург: УГТУ, 2000, 38 с.
5.                М. Ю. Застела, «Основы радиоэлектроники и связи», Казань: ЗАО «Новое знание», 2009.-340 с.