Antenna esterna per cellulare GSM. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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La portata di un telefono cellulare può essere aumentata dotandolo di un'antenna direzionale remota esterna. Come realizzare da soli un'antenna del genere è descritto in questo articolo. L'antenna può essere utilizzata con successo in campagna, in una remota casa di campagna e, date le sue dimensioni ridotte, anche sul campo.

Sempre più nuovi utenti di telefoni cellulari sono convinti dei vantaggi della comunicazione tramite cellulare in base alla propria esperienza. La possibilità di contattare telefonicamente l'abbonato desiderato in qualsiasi momento e praticamente ovunque rende questo tipo di comunicazione forse il più popolare e attraente.

Ma oltre ai numerosi e innegabili vantaggi della telefonia cellulare, come di ogni mezzo tecnico, ci sono anche alcuni svantaggi. Ricordiamo la necessità di pagare per ogni secondo di conversazione. Inoltre, le comunicazioni cellulari sono caratterizzate da fenomeni quali la presenza di zone "morte" e il deterioramento della qualità della comunicazione a una distanza significativa dall'antenna della stazione base più vicina.

Molti utenti di telefoni cellulari conoscono probabilmente la situazione in cui devono cercare a lungo un luogo in cui il dispositivo possa stabilire una connessione stabile alla rete. Inoltre, tali situazioni si verificano non solo lontano dall'antenna della stazione base della rete (tipico per luoghi remoti, ad esempio in un orto), ma anche in città, dove il segnale della stazione base può essere schermato da edifici, elementi di strutture edilizie, ecc.

In questi casi può essere d'aiuto un'antenna esterna collegata ad un telefono cellulare. Naturalmente, limita la mobilità dell'abbonato e lo “lega” a questa antenna, ma questa limitazione potrebbe non essere un prezzo così alto da pagare per una comunicazione di alta qualità.

Durante lo sviluppo di un'antenna esterna fissa per un telefono cellulare, è stato scelto il design dell'antenna a zigzag [1, 2], ampiamente utilizzato nelle comunicazioni professionali e popolare tra i radioamatori e i telespettatori.

Antenne di questo tipo nella gamma di frequenze utilizzata nella telefonia cellulare consentono buone prestazioni con dimensioni ridotte, sono abbastanza semplici da produrre e configurare e hanno una buona ripetibilità dei parametri durante la loro produzione.

L'antenna a zigzag è composta da otto conduttori chiusi di lunghezza L, che formano due celle a forma di diamante (vedi figura). Il design dell'antenna è tale che i suoi conduttori, eccitati nei punti a e b, formano una sorta di schiera di antenne in fase di quattro vibratori. Gli antinodi (massimi) della corrente si trovano nei punti di alimentazione e negli angoli indicati dalle lettere P. L'antenna ha polarizzazione lineare, nel caso mostrato in figura - verticale.

Il diagramma di irradiazione dell'antenna viene mantenuto nel campo di frequenza con sovrapposizione fmax/fmin = 2...2,5. La caratteristica di direttività dell'antenna è simmetrica rispetto al piano dei suoi conduttori.

Per aumentare la direttività di un'antenna a zigzag, viene utilizzato un riflettore che riflette parte dell'energia incidente su di essa verso il nastro dell'antenna. La fase del campo riflesso dal riflettore nel piano del tessuto dell'antenna dovrebbe essere prossima alla fase del campo emesso dal tessuto stesso, quindi la somma dei campi in fase dei segnali emessi e riflessi aumenta il coefficiente di direttività (DA) dell'antenna. La fase del campo riflesso dipende dalla forma e dalle dimensioni dello schermo, ma soprattutto dalla distanza tra lo stesso e la superficie dell'antenna.

Lo standard di comunicazione cellulare GSM prevede il funzionamento di sistemi di comunicazione nelle gamme di frequenza 890...960 MHz per GSM-900 e 1710...1880 MHz per GSM-1800 [3, p. 102], ed un canale diretto è organizzato alle frequenze 935...960 MHz e 1805...1880 MHz, ed un canale inverso è organizzato alle frequenze 890...915 MHz e 1710...1785 MHz. Nella gamma di frequenze 890...960 MHz l'antenna ha un coefficiente d'onda viaggiante (TWC) non inferiore a 0,77 e un guadagno non inferiore a 7 dB rispetto a un dipolo a semionda. Nell'intervallo di frequenza 1710...1880 MHz il BEF dell'antenna non è inferiore a 0,5 e il fattore di efficienza non è inferiore a 6 dB.

Il design dell'antenna è chiaro dalla figura.

Il parametro principale calcolato L determina la frequenza operativa dell'antenna. Per un'antenna a zigzag, il coefficiente di direttività dipende dal rapporto L/λ, con la direttività massima a L/λ - 0,4. Il BEF massimo - 0,8 si ottiene con L/λ - 0,3 e con rapporti L/λ = 0,25...0,5 il BEF è almeno 0,5. Pertanto per la frequenza media del campo operativo dell'antenna è stato scelto il valore L = 80 mm, con L/λ - 0,37. Oltre a L, la larghezza dei vibratori dell'antenna d e la distanza dal nastro dell'antenna al riflettore influenzano l'entità del BEF. Di solito si consiglia di scegliere d = 0,033λmax, dove λmax è la lunghezza d'onda massima del campo operativo dell'antenna. Nel nostro caso d = 10 mm. Dal punto di vista dell'aumento dell'efficienza dell'antenna, è desiderabile ridurre la distanza dal riflettore e, dal punto di vista dell'adattamento, aumentarla. In questo modello è 45 mm, il che garantisce le caratteristiche dell'antenna sopra indicate.

Il foglio dell'antenna 1 e il riflettore 2 sono realizzati in laminato di fibra di vetro rivestito su un lato della marca SF-1 con uno spessore di 1...1.5 mm. Il foglio dell'antenna è formato da due celle quadrate simmetriche, tagliate dall'esterno da un foglio di fibra di vetro lungo il contorno dell'antenna. Il contorno interno dell'antenna a zigzag viene graffiato con un taglierino dal lato della lamina, dopodiché viene rimossa la lamina dall'interno del contorno dell'antenna. Per facilitare il processo di rimozione della pellicola, puoi preriscaldarla con un potente saldatore. Se lo desideri, puoi anche rimuovere la maggior parte del dielettrico all'interno del circuito dell'antenna.

Nei punti vicini alla parte superiore delle celle in tessuto dell'antenna, vengono praticati dei fori per la vite M4 o M2. Gli stessi fori sono praticati nel riflettore 1 (schermo). Il foglio dell'antenna 2, da un lato, e il riflettore 3, dall'altro, sono avvitati ai montanti con 2,4 viti. I rack sono realizzati con qualsiasi materiale dielettrico (fluoroplastico, getinax, plexiglass, ecc.), possono essere forniti anche rack metallici. Al loro interno su ciascun lato vengono praticati fori con un diametro di 3,2 o 10 mm fino a una profondità di circa 4 mm per viti con filettatura M50 o MXNUMX. L'antenna è alimentata da un cavo coassiale con impedenza caratteristica di XNUMX Ohm. Il conduttore centrale del cavo, liberato dalla treccia schermante, viene saldato al punto b, e la treccia (schermo) viene saldata al punto a.

Il cavo viene posato lungo i vibratori che formano uno dei lati della cella dell'antenna, e viene fatto uscire attraverso il punto a potenziale zero del tessuto dell'antenna P. Per collegare il cavo, è possibile saldarlo con filo stagnato al vibratore dell'antenna. Successivamente, il cavo viene fissato al supporto e fatto passare attraverso il foro sullo schermo dell'antenna. All'estremità dell'alimentatore è saldato un connettore FME 740, al quale è avvitato un adattatore (adattatore per antenna, può essere acquistato nei negozi di telefoni cellulari) per il connettore dell'antenna esterna di un telefono cellulare.

È opportuno notare che il valore del BVC dipende fortemente dal tipo di cavo coassiale utilizzato. In genere, più sottile è il cavo, maggiore è l'attenuazione, che degrada le prestazioni dell'antenna. Allo stesso tempo, un cavo sottile, quando lo si collega a un apparecchio telefonico, ostacola meno i movimenti dell'abbonato; è più conveniente collegare tale cavo a un adattatore per antenna. In generale, se la distanza dal punto in cui l'antenna fornisce una qualità del segnale accettabile alla posizione del telefono non è superiore a 2...4 m (ad esempio, l'antenna si trova in un interno vicino a una finestra), è possibile utilizzare un cavo più sottile con dielettrico in polietilene (ad esempio RK 50-1,5-11).

Se per garantire un segnale accettabile è necessario spostare l'antenna su una distanza maggiore, i requisiti per l'alimentatore diventano più severi. I cavi RK 50-2-21 e RK 50-2-2 hanno buone caratteristiche per questo caso. Nel progetto descritto, come alimentatore è stato utilizzato un cavo coassiale ad alta frequenza RK 2,5-50-2 lungo 21 m con un coefficiente di attenuazione a una frequenza di 900 MHz non superiore a 0,6 dB/m, ad una frequenza di 2 GHz - 0,8 dB/m.

Se si prevede di utilizzare l'antenna all'aperto, per ridurre la deriva della struttura, il riflettore può essere realizzato sotto forma di una griglia di aste o tubi metallici posti a una distanza di 0,05 λmin l'uno dall'altro, qui λmin è la lunghezza d'onda minima della gamma di frequenza operativa.Gli elementi riflettenti sono orientati parallelamente alla linea a-b, cioè nel piano di polarizzazione. Per mettere a terra l'antenna, i punti P-P del foglio dell'antenna sono collegati allo schermo con supporti metallici e lo schermo stesso è fissato saldamente al bus di messa a terra (palo, supporto). All'interno del foglio dell'antenna, il laminato in fibra di vetro viene rimosso, liberato dalla lamina, e gli elementi dei vibratori del foglio dell'antenna sono protetti con un rivestimento anticorrosivo a basse perdite dielettriche.

Durante i test, l'antenna ha permesso di aumentare il segnale da due gradazioni della scala dell'indicatore del telefono cellulare Motorola M3788 a quattro, garantendo una comunicazione telefonica di alta qualità.

Se il guadagno d'antenna risultante non è sufficiente, può essere aumentato costruendo una schiera di antenne, ad esempio, di due o quattro antenne a zigzag, o utilizzando un riflettore del tipo a tromba “troncata” [2, p. 77]. Ma queste soluzioni complicano notevolmente la produzione e la configurazione dell'antenna e quindi non sono state testate dall'autore.

I dati sulle frequenze e lunghezze d'onda di vari standard di comunicazione cellulare sono riportati nella tabella. Utilizzandoli e ricalcolando le dimensioni lineari, è possibile progettare antenne simili per altre bande.

Letteratura

1. Antenne VHF Kharchenko K.P. - M.: DOSAAF, 1969.
2. Kharchenko K. P. Antenna della gamma DCV: Collezione: "Per aiutare il radioamatore", vol. 94, pag. 68-79. - M.: DOSAAF, 1986.
3. Ratyneky M.V., Telegin A.V. Telefono in tasca. Guida alle comunicazioni cellulari. - M.: Radio e comunicazione, 2000.

Autore: V.Vasilevsky, Dzerzhinsky, regione di Mosca.

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