UMTS в походных условиях и самодельная антенна на 2ГГц

Для чего я это делаю

Иногда мне приходится выезжать далеко за город и оставаться там несколько дней. Да тут вот и окончательно переезжать поближе к природе задумал к осени. Интернета не то чтобы хочется, он просто необходим для работы. Покрытие сетью 3G в отдалённых районах нашей области постепенно улучшается, но до идеала всё ещё как до Китая очень далеко. Встроенные антенны USB-«свистков» работают категорически неудовлетворительно. Потому я начал по привычке «колхозить»…

Краткий обзор ситуации с 3G

Подавляющее большинство готовых 3G-устройств работают только со своей встроенной антенной и никаких возможностей подключить внешнюю антенну не имеют. Тех, которые таковую имеют, во-первых, днём с огнём вечером разогнём не сыщешь, во-вторых, это подключение в подавляющем большинстве случаев ненадёжно и имеет плохие характеристики в плане ослабления/отражения сигнала и внесения дополнительных шумов. Название pigtail («поросячий хвостик»), принятое в отношении таких кабелей-переходников, очень точно описывает эту ситуацию.
Качество встроенных антенн приемлемо для городской среды, где БСки натыканы через шаг. Для походных же условий такая условно-всенаправленная супер-укороченная антенна не годится совершенно.
Однако многие 3G-модемы, даже не имеющие видимого разъёма для подключения внешней антенны, имеют точку подключения для антенны на своей плате, видимо, для диагностики. Зачастую на этой точке даже распаян разъём.
Без «хирургического вмешательства», таким образом, не обойтись.

Под катом большие картинки.

«Хирургическое вмешательство» в 3G-модем

Модем может быть каким угодно. Мой выбор пал на Huawei E1550, ибо это старьё подвернулось мне у гопника в подворотне ныне можно купить с рук рублей за 100 — испортить не жалко. Подробности его модификации прекрасно находятся в интернете любой популярной поисковой системой. [напримеръ]
В общем же случае надо:

• удалить или отключить встроенную антенну
• найти точку диагностического подключения, если на ней уже напаян разъём — удалить (хорошо получается феном)
• подпаять к ней кусочек подходящего коаксиального кабеля, не забывая, что это всё же СВЧ (оплётка припаивается двумя точками по обе стороны от центральной жилы, конфигурация контактов на плате это предусматривает).

Так как контакты точки подключения расположены очень близко, популярный кабель вроде РК-50 или RG-58, конечно же, не подойдёт. Я лично выкусил кусочек такого кабеля из списанного в утиль нерабочего ноутбука — там он соединял модуль Wi-Fi с антенной. Его диаметр не превышает 2мм, что отлично подходит для таких манипуляций с модемом.

Вот что получилось у меня (фото на фоне рефлектора описываемой далее антенны):

В дополнение ко всему прочему модем был «разлочен», чтобы имелась возможность протестировать различных операторов.

Почему антенна Харченко?

Диполь или GP здесь слабоваты. Волновой канал и логопериодическая помимо сложности ручного изготовления на таких частотах и, как следствие, «хрупкости», имеют очень узкий главный лепесток диаграммы направленности. В походных условиях точно «прицелиться» на базовую станцию (БС) и надёжно зафиксировать такую антенну очень сложно.
Компромисс был найден в виде зигзагообразной антенны Харченко (о которой я упоминал в одной из предыдущих статей — вот и настала пора её попробовать). Её главный лепесток диаграммы достаточно широк, чтобы не очень мучаться с нацеливанием на БС, при этом антенна достаточно проста в изготовлении и имеет относительно неплохой коэффициент усиления (6..9dB).

Модификация антенны

Антенна Харченко достаточно широкополосна, но при этом группы частот передачи «от МТ к БС» (1885..2025 МГц) и «от БС к МТ» (2110..2200 МГц) в стандарте UMTS разнесены достаточно далеко. Как я уже упоминал в комментариях к предыдущей статье, у БС практически всегда хватит мощности «докричаться» до мобильного терминала, но у мобильного терминала (МТ) мощности маловато (особенно у USB-«свистка»). Можно, конечно, изготовить антенну, оптимально работающую в группе частот передачи «от МТ к БС», и довольствоваться средней паршивости приёмом, но мне захотелось выжать из этой технологии максимум.
Я узнал, что антенну Харченко можно сделать ещё более широкополосной, включив несколько вибраторов антенны параллельно в одной плоскости в точке «запитки». Однако рассчитанные размеры этих вибраторов для частотных групп UMTS в части «короткого плеча» различались менее чем на полмиллиметра при требуемой ширине проводника 0.8-0.9мм. То есть разнести «короткие плечи» при сохранении плоскости вибратора мне не представлялось возможным.
И я решил: сделаю «не по правилам» и посмотрю, что получится. Отсюда и некоторая небрежность при изготовлении первых вариантов антенны: я просто не верил, что это «взлетит».

Первый начерченный на бумаге вариант вибратора выглядел так:

Для «малого» контура центральная частота была выбрана равной 2145 МГц, для «большого» — 2010 МГц.

Данные расчётов

Использовался этот онлайн-калькулятор

Антенна Харченко (зигзагообразная)
— Центральная частота f: 2010 МГц
Волновое сопротивление антенны ρ: 50 Ом
Полоса пропускания при КСВ < 1.5: 126 МГц
Полоса пропускания при КСВ < 2: 234 МГц
— Длина волны λ: 149.25 мм
Размер L1 (внешняя сторона квадрата): 38.5 мм
Размер L2 (внутренняя сторона квадрата): 34.3 мм
Размер L3 (длина вибратора): 125 мм
Размер L4 (промежуток в месте подключения): 7.7 мм
Размер B (ширина рефлектора): 85 мм
Размер H (длина рефлектора): 146 мм
Диаметр проволоки: 0.9 мм
Общая длина проволоки: 303 мм
Расстояние вибратор-рефлектор D: 23.1 мм
Крайний угол ромба α: 65°

Антенна Харченко (зигзагообразная)
— Центральная частота f: 2145 МГц
Волновое сопротивление антенны ρ: 50 Ом
Полоса пропускания при КСВ < 1.5: 134 МГц
Полоса пропускания при КСВ < 2: 250 МГц
— Длина волны λ: 139.86 мм
Размер L1 (внешняя сторона квадрата): 36.1 мм
Размер L2 (внутренняя сторона квадрата): 32.1 мм
Размер L3 (длина вибратора): 117.2 мм
Размер L4 (промежуток в месте подключения): 7.2 мм
Размер B (ширина рефлектора): 80 мм
Размер H (длина рефлектора): 137 мм
Диаметр проволоки: 0.8 мм
Общая длина проволоки: 283 мм
Расстояние вибратор-рефлектор D: 21.7 мм
Крайний угол ромба α: 65°

Вибратор было решено изготовить из имевшегося в наличии фольгированного стеклотекстолита с последующим обильным лужением.

Изготовление пробной версии

Построение контуров вибратора антенны было повторено на текстолите:

Это вызовет священный ужас у многих студентов:

Впрочем, я тоже давненько не работал стеклянным рейсфедером, потому опущу промежуточные стадии: ;)

Вообще, конечно, делать это можно хоть знаменитым фломастером Edding 404 при наличии сноровки, но мне почему-то захотелось вот так, по старинке, тёплым ламповым цапонлаком.

Впервые попробовал метод травления меди в растворе состава «Лимонная кислота+Поваренная соль+Перекись водорода». Сначала были сложности, связанные с некачественным (отсыревшим) гидроперитом. В чём было дело, я понял, бросив в раствор пару таблеток из новой пачки (отсыревшие таблетки гидроперита распухшие, рассыпавшиеся, зернистые — толку от них нет; кошерные таблетки плотные, имеют чёткие формы и не рассыпаются в руках). Травится медь и в самом деле быстро, аккуратно и экстремально дёшево.
Задумался теперь, куда девать несколько килограммов хлорного железа, купленного некогда «про запас»…

Готовый вибратор после лужения:

Припаиваю. Да-да, ножки — из мягкого пенопласта. Повторяю: я не верил, что это «взлетит» и оставлял пространство для манёвров в виде «регулируемого» расстояния между вибратором и рефлектором.

В сборе. USB-разъём приляпан двусторонним скотчем к рефлектору. Рефлектор вставлен в прорезь половины пластиковой бутылки — чтоб стояло без рук.

Результаты испытаний пробной версии

Чуть не выкинул всё в мусорку не разобравшись

Когда я включил модем в USB-порт, с ожидаемым прискорбием увидел «два зелёных свистка» (владельцы подобных девайсов поймут). Всё, думаю, модем капут («kaput» — «испорчен», «сломан» на немецком). Но на всякий случай запустил minicom и ввёл «AT+CSQ» (должно показать RSSI в попугаях). Ожидал нулей. Но модем ответил: "+CME ERROR: 13". Загуглил. Проблема оказалась в SIM-карте, была устранена и модем бодро замигал синеньким.

Параметры максимума приятно порадовали: со стандартной антенной модем больше 83% не показывал.

Speedtest неоднозначен, но это, судя по всему, проблема не радиоканала (тесты повторялись неоднократно, у каждого тест-сервера были свои «тараканы»):

(хорошая скорость, плохой пинг)

(не очень скорость, хороший пинг)

Ну хорошо, это город. На гвоздь ловить можно, как говорили когда-то. Я направлял эту антенну в пол и даже так ловил какие-то отголоски сигнала.

Но вот настало время выехать за город. Нахожусь в деревянном срубе с металлической крышей. Телефоны ловят так себе, интернет — на скоростях GPRS. Ловлю ближайшую БС…

Казалось бы, негусто. Но интернет есть, и он UMTS (да и попробовал бы он быть иным с такой-то антенной!) Попробуем-ка Speedtest…

Вот так! Практически мегабит!

На этом этапе я понял: антенна в данной конфигурации работает. Можно приступать к защите от механических воздействий, грязи и влаги.

Подготовка к походным условиям

Сначала я хотел поместить антенну в специализированный ящик для внешней электропроводки. Однако товарищ harmboy подсказал мне гораздо более простое, дешёвое и долговечное решение: полиэтиленовый контейнер для СВЧ-печи. И правда, полиэтилен более долговечен и уж точно прозрачен для интересующих нас частот. К тому же такие контейнеры имеются практически в любом хозяйственном магазине, а ящики с гермовводами надо искать по специализированным.
Минус такого решения — надо колхозить. Но меня это, как все уже поняли, не пугает.

Для того, чтобы закончить конструкцию, мне даже не потребовалось возвращаться в город. Практически всё нужное для сборки я нашёл в местном сельпо, остальное (включая инструмент) у меня было с собой:

Для начала я ввёл USB-кабель внутрь контейнера (пришлось его разрезать и спаять заново, чтобы не делать огромных размеров дыру):

Затем я отложил паяльник и взял один из своих любимых инструментов: клей «горячие китайские сопли» клеевой пистолет. Герметизируем ввод кабеля:

Закрепляем антенну внутри, прихватываем капельками клея критичные места, чтобы ничего не болталось при переноске:

Наплавляем две уродливых кучки не очень аккуратных ножки, чтобы антенну можно было поставить на более-менее ровную поверхность:

После всех этих экзерсисов антенна, разумеется, работает по-прежнему, ведь в радиочастотной части ничего не поменялось, а USB — это «настоящая бездушная цифрА», которую удлинять и перепаивать гораздо проще и спокойнее. Следующим этапом будет попытка поднять её на чердак или на мачту, где висит сейчас телеантенна, но сегодня вечер пятницы и мне лень этим заниматься, тем более в такую погоду. Лучше включу его, залью оставшиеся фотографии девайса и допишу этут статейку. ;)

(неуловимо напоминает какой-то фирменный роутер)

О результатах поднятия антенны отпишусь потом в комментариях или апдейтом.

This entry passed through the Full-Text RSS service - if this is your content and you're reading it on someone else's site, please read the FAQ at http://ift.tt/jcXqJW.