GSM — розетка SimPal — T4. Улучшаем мобильную связь, дополняем самодельной антенной.

Сравнительно короткий опыт практического использования аппаратной модернизации ранее приобретенной умной розетки выявил её существенный побочный недостаток. При неблагоприятных погодных условиях (сильный дождь, снег) управляющие СМС — сообщения не доходили до управляемого аппарата, поэтому никакой обратной информации о состоянии электросети, температуре воздуха тоже не поступало, иногда сутками. Как выяснилось, из-за значительной удаленности гаража от городской жилой зоны (соответственно, и базовой станции оператора мобильной связи) уровень радиосигнала, воздействующего на GSM — розетку, значительно ослаблялся, чему способствовали также входные металлические ворота гаража и добротное потолочное перекрытие из стандартных железобетонных плит при отсутствии каких-либо оконных проёмов. Немаловажным фактом для понимания кажущейся безысходности сложившегося положения стало многократное неисполнение моим смартфоном отправки контрольного СМС — сообщения жене на городскую квартиру из помещения гаража, что явилось следствием недопустимо низкого уровня сигнала от базовой станции и для смартфона, и для GSM — розетки. Успешно отправить СМС — сообщение возможно только после выхода из гаража на улицу в межблочный проезд.

Поэтому пришло четкое осознание возможного пути устранения проблемы: без усиления подаваемого на розетку и исходящего от неё радиосигнала никак не обойтись. Осталось дело за «малым»: оценить возможные варианты решения проблемы, выбрать из них наиболее приемлемый и реализовать его. Дальше пойдет речь о том, как я это сделал.

Проще всего было бы обеспечить бесперебойную связь с GSM — розеткой путем приобретения одного из репитеров, коих сейчас «расплодилось» превеликое множество – как китайских, так и отечественных. Но здесь следует учитывать другое непреодолимое препятствие. Для функционирования репитера потребуется разместить две антенны – наружную на крыше гаража, и внутреннюю «комнатную» вместе с приемопередающим усилителем под крышей помещения. Да вот беда, обширная территория многоблочного гаражного кооператива не свободна от людей «с низкой социальной ответственностью», которые только и мечтают разжиться каким-нибудь металлом, и для них многосотметровая крыша – лакомое доходное место со свободным доступом. Поэтому придется использовать недоступную для «вандалов» единственную приемопередающую антенну внутри гаража, которая станет рупорной.

Встаёт очередной вопрос: какой диапазон волн лучше использовать? В поисках ответа необходимо учитывать, на что способен GPRS — модуль, используемый в розетке, каковым является Neoway N11V2. Его структурная схема представлена ниже.

Воспользуемся руководством пользователя «Neoway Hardware User Guide», где на странице 37 приведена таблица с перечнем используемых в модуле диапазонов волн. Здесь Uplink соответствует сигналу от розетки к базовой станции, Downlink – от базовой станции к розетке.

Большинство операторов мобильной связи в настоящее время работает в диапазонах 2600 МГц, 1800 МГц и 800 МГц. Поскольку для своего смартфона я использую SIM — карту одного из операторов (дабы избежать рекламы, уточнять оператора не будем), для розетки я приобрел вторую аналогичную карту, и для проектирования антенны мне целесообразно выбрать используемый в GPRS — модуле диапазон 1800 МГц (по международной классификации Band3).

Площадь действия базовой станции, работающей в этом диапазоне волн, в четыре раза больше, чем при той же излучаемой мощности оборудования в диапазоне 2500 — 2700 МГц, и использование этого оборудования для развития сетей передачи данных позволяет в кратчайшие сроки разворачивать обширные сети вещания, потому что одну и ту же территорию можно покрыть меньшим количеством базовых станций. При этом сигнал LTE — 1800 лучше проникает в закрытые помещения, чем сигнал базовых станций, работающих в более высоких диапазонах. Аббревиатура LTE означает долговременное развитие (Long Term Evolution) и относится к технологии 4G, одному из первых стандартов 4G. Это логическое продолжение стандартов третьего поколения 3G и предшествующих ему 2G и 1G.

Если говорить об оригинальном LTE, то 4G существенно быстрее, поскольку LTE предлагает максимум 100 Мбит/с, в то время как для «настоящего» 4G предельная скорость передачи данных составляет 1000 Мбит/с. Однако если перейти к варианту LTE — A, разница исчезает – обновленный вариант также предлагает 1000 Мбит/с. Понятие LTE входит в 4G, являясь подтипом наряду с другой технологией, WiMax 2. По своей сути, это одно и то же, с той лишь разницей, что 4G указывает на поколение сетей связи, а LTE – это название конкретной технологии.

Итак, рабочий диапазон антенны (Band3) выбрали. Теперь необходимо уточнить, как будем соединять разрабатываемую антенну (она будет рупорной) с нашим модулем Neoway N11V2. Вскрываем розетку SimPal — T4.

Если извлечь из корпуса посадочное место подключаемой электровилки с «антидетскими» шторками, на боковой стенке внутри корпуса можно отчетливо разглядеть наклеенную патч — антенну, которая подключена коаксиальным кабелем к основной плате рядом с GPRS — модулем в левом верхнем углу. Контактные площадки для подключения коаксиального кабеля помечены красной точкой. Конечно, отпаивать кабель от платы или патч — антенны и выводить его наружу корпуса не имеет смысла, можно сделать гораздо проще. Для этого приобретаем на Али Экспрессе встраиваемую антенну GSM 3G 4G IPEX (5 штук партия, 366 руб. на 23.12.2023 г., доставка бесплатно). Можно поискать и поменьше партию, это обойдется несколько дешевле.

Антенна изготовлена из фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,8 мм, поэтому она легко сгибается на 90 градусов. Радиус скругления угла примерно 1 см в районе 7 см вышепоказанной на рисунке металлической линейки. Это позволяет плотно зафиксировать уголковую антенну липкой изолентой внакладку над патч — антенной поверх боковой поверхности корпуса розетки. Теперь остается рупорную антенну коротким кабелем соединить с уголковой антенной. И тогда получится почти идеальная приемопередающая конструкция. Входное/выходное сопротивление рупорной антенны, уголковой антенны, патч — антенны, GPRS — модуля и волновое сопротивление соединительного коаксиального кабеля между ними по проекту составляет 50 Ом, поэтому проблем рассогласования не должно возникнуть, что критически важно для работоспособности создаваемой конструкции.

Глубоко не вдаваясь в теоретические основы функционирования антенн, отметим, что добиться идеального согласования GPRS — модуля с антенной практически невозможно. Но сформулировать простыми словами требования к качеству согласования, обеспечивающего приемлемый уровень излучаемого и принимаемого антенной сигнала, достаточно просто, если использовать общепринятый критерий – коэффициент стоячей волны по напряжению КСВН (в английской транскрипции VSWR – Voltage Standing Wave Ratio). Понятие стоячей волны, образуемой в линии (фидере – коаксиальном кабеле) суммированием падающей (синей) от генератора к нагрузке (на рисунке движение справа – налево) волны и отраженной (красной) от нагрузки к генератору (на рисунке движение слева–направо) волны иллюстрирует анимационная картинка. Здесь напряжения прямой и отраженной волн в фидере складываются или вычитаются в разных точках вдоль фидера в соответствии с фазами. Таким образом образуется стоячая волна, узлы и пучности которой в отличие от подвижных слагаемых волн неподвижны.

Для упрощения создания картинки её авторы выбрали вариант, когда в установившемся режиме амплитуда падающей и отраженной волн равны, то есть в нагрузку ничего не поступает, и, следовательно, КСВН равен бесконечности:

КСВН=(Апад+Аотр)/(Апад–Аотр)=2А/0=∞

Такое возможно при обрыве в линии. С другой стороны, при идеальном согласовании отраженная волна отсутствует, и вся энергия от генератора поступает в нагрузку, КСВН равен 1. Логично предположить, что существует и третий вариант, когда сопротивление нагрузки в некоторой степени отличается от импеданса (волнового сопротивления) фидера (генератора) и качественную картину распределения энергии между падающей, отраженной и стоячей волной иллюстрирует следующий рисунок.

Специалисты и просто заинтересовавшиеся читатели по известным из теории АФУ несложным формулам могут рассчитать числовое значение КСВН в зависимости от степени рассогласования генератора, фидера и антенны с учетом удельного затухания сигнала в кабеле, и даже измерить его специальными приборами, называемыми КСВ — метрами, стоимость которых может составлять от десятков тысяч до миллиона рублей и более, что определяется сертифицируемым диапазоном волн, способом и точностью измерений. Мы же в целях уяснения последствий рассогласования элементов в антенно — фидерном тракте ограничимся знакомством с таблицей, характеризующей долю потерь подаваемого сигнала от генератора на антенну для различных значений КСВ.

Как следует из таблицы, при КСВ = 1,3…1,5 согласование антенны и передатчика достаточно хорошее, поскольку потери не превышают 4 % или, что одно и то же, — 0,2 дБ. Коэффициенты 1,6…2 обычно обусловлены потерями в высокочастотных разъемах. КСВ = 2,1…5 могут указывать на неисправности антенны. Становится очевидным, что для правильно спроектированной и аккуратно изготовленной антенны следует стремиться к значению КСВ не более 2. Приступаем к проектированию, учитывая нужный нам диапазон Band3 1710…1880 МГц, КСВ≤2 и коэффициент усиления по сравнению с изотропным излучателем Gi≥10.

Поисковая система в Интернете без особых затрат времени позволила выйти на подобный проект «BiQuad GSM/LTE — 1800 (horn reflector) 1710 — 1880 MHz, 50 Ohm, 11.7 dBi».

Это так называемая за рубежом биквадратная антенна с рупорным рефлектором GSM/LTE — 1800 с волновым сопротивлением 50 Ом и усилением 11.7 dBi по сравнению с изотропным излучателем. Здесь нужная нам информация размещена в открытом доступе, регистрация может потребоваться лишь при желании скопировать программный пакет HFSS, позволяющий самостоятельно спроектировать рупорную антенну с другими исходными данными. Мы ограничимся прямым копированием опубликованного варианта, поскольку приведенный проект, выполненный с помощью программного пакета HFSS, вполне соответствует выше сформулированным требованиям, и поблагодарив автора проекта Юрия Пилипенко за его бескорыстный труд, содержащий ценные проверенные практикой антенно — творческие сведения, приступаем к работе.

Начнем с диаграммы направленности антенны, основной характеристики, наиболее понятной в интуитивном плане. Здесь и далее в обзоре следует помнить, что диаграмма направленности антенны обладает свойством взаимности, то есть для выбранного направления имеет аналогичные характеристики на передачу и приём на одной и той же частоте в рабочем диапазоне волн.

На диаграмме приведена зависимость уровня излучаемого сигнала для крайних частот нужного диапазона волн в плоскости Е (электрической составляющей) и Н (магнитной составляющей) создаваемого электромагнитного поля. Схему измерения поясняет рисунок, где вначале рупор с размещенным в нем биквадратным вибратором вращают в горизонтальной плоскости вокруг оси АВ, а затем – вокруг оси CD.

Как можно видеть, по половинному уровню от максимальной мощности ширина диаграммы направленности составляет примерно 90°, то есть она является широконаправленной, что будет облегчать поиск принимаемых сигналов.

Благодаря рефлектору, излучаемый антенной сигнал в прямом направлении примерно на 25 дБ превышает обратный. Понятно, что при отсутствии рефлектора мощность излучаемых сигналов что вперёд, что назад не отличались бы, а значит никакой защиты от приема тыловых сигналов не было бы, то есть страдала бы помехозащищенность.

На характеристике зависимости коэффициента усиления антенны от частоты в синем цвете показано расчетное значение, а красным – реально достигнутое. Как видно на рисунке, в центральной части используемого диапазона волн коэффициент усиления составляет 12,06 dBi, а по краям спад усиления достигает 11, 73 dBi. Такой результат соответствует заявленному в наименовании проекта, поэтому настал черёд анализа согласования антенны. Важнейший элемент в данном вопросе – КСВН.

Как видим, во всем диапазоне значение КСВН не превышает значение 1,6. В постановочной части обзора была поставлена задача стремиться к значению КСВ не более 2, то есть условие по КСВ тоже выполнено. Остаётся проверить волновое сопротивление (импеданс) антенны.

На рисунке синим цветом показана зависимость от частоты активной (действительной) составляющей импеданса. В центральной части диапазона это примерно 50 Ом, по краям 40…70 Ом. Красная линия отображает реактивную (мнимую) составляющую, которая с увеличением частоты возрастает от – 25 Ом (емкостная составляющая) до + 25 Ом (индуктивная составляющая). На центральной частоте емкостная и индуктивная компоненты взаимно компенсируются, их сумма принимает нулевое значение. И что ещё важно отметить, это очень сильную зависимость волнового сопротивления антенны от расстояния между вибратором и рефлектором, впрочем, как и от диаметра провода в вибраторе.

На этом мы завершим подробные пояснения основных теоретических сведений, знание которых необходимо для понимания принципов функционирования антенны, и приступим к её практическому изготовлению.

Для биквадратного вибратора нам потребуется чуть меньше, чем 0,5 м медного проводника сечением 6 кв. мм (диаметр 2,76 мм), который может быть извлечен из силового кабеля 3х1.

Для снятия изоляции потребуются специальные клещи (стриппер). Кабель вводим в гнездо, как показано на рисунке, и начинаем сжимать рукоятки. В первой половине рабочего хода к изоляции прижимаются фиксирующие губки. При дальнейшем нажатии вступают в действие ножевые закладки, осуществляющие надрез изоляции, а затем скользящие по проводу губки (на рисунке справа) сдвигают изоляцию на сантиметр вправо. Кабель извлекаем из клещей и вручную сдвигаем по проводнику и удаляем надрезанную изоляцию. Она двухслойная – внутренняя и наружная. Таким же образом несколько десятков раз повторяем операцию «клещевания» изоляции отрезками по 3…5 см и полностью очищаем кабель на всем протяжении проводника. Провод выравниваем и приступаем к изготовлению вибратора.

Рисунок соответствует антенне с входным сопротивлением 50 Ом и будет служить трафаретом для выгибания вибратора. Для этого чертеж необходимо пропорционально изменить так, чтобы большая ось рисунка соответствовала 123 мм. Для формирования скругленных участков необходимо будет использовать круглую болванку диаметром 29…30 мм. В крайнем случае можно будет использовать 2 резьбовые пробки от ПЭТ бутылок, Н – образно соединив их плоскими донышками винтом с гайкой или шурупом на деревянном основании. Проводник при отгибании будет удобно укладывать в образовавшуюся между пробками канавку. Отгибание производят постепенно, постоянно сверяя получаемую форму вибратора с трафаретом на бумаге. Начальная точка гибки провода – это крайняя левая или правая точка рисунка, в которой оставляют запас длиной 1…2 см. Запас будет удален вместе с излишком при стыковке с концом проводника, и стык будет запаян припоем.

Следующая операция – изготовление рефлектора, имеющего форму рупора с углом раскрыва 120 градусов. Для него можно использовать тонкий лист из латуни или стали, даже из обшивки корпуса старого ненужного компьютера.

Для гибки здесь понадобятся слесарные тиски и пара уголков из прокатного профиля 20х20 мм (или чуть больше). Построение выкройки на металле начинают от дна рефлектора размером АхБ см, и в точке пересечения диагоналей оставляют фломастером жирную точку, с которой при сборке антенны будет совмещён центр вибратора. Для большей жесткости рупора я также использовал дюралюминиевую пластину примерно с такими же размерами толщиной 3 мм. По углам четырьмя винтами М3 с гайками пластину закрепляют на дне рупора. Отступив на 60 мм по периметру пластины размечают 4 полосы – боковые стенки рупора, а затем еще 4 полосы по 10 мм, которые будут служить отбортовкой для крепления пластиковой пленки, защищающей внутреннее пространство рупора от проникновения и накапливания пыли. Теперь по углам на каждой боковой стенке проводят отрезки линий длиной 67 мм, как это показано на рисунке. Остается ножницами по металлу вырезать эти уголки со стороной 67 мм и выполнить отгибку отбортовок на 30 градусов. Завершающий этап – боковые стенки рупора отгибают до соприкосновения 67 мм граней и пайкой соединяют их. Рупор готов.

До установки вибратора к рупору необходимо присоединить механизм регулировки положения антенны по азимуту, по углу места и по поляризации. У меня остался такой заводского изготовления от MIMO антенны, установленной на даче. Возможно, кому — то проще будет изготовить что — то подобное из деревянных брусков, как я делал это на даче, но раз есть готовый механизм, почему бы его не использовать сейчас.

Как это видно под разными углами зрения, механизм представляет собой уголковый кронштейн 90°, скобу для его крепления на трубу диаметром 50 мм с двумя навернутыми гайками М6 на концах скобы – с одной стороны, и на перпендикулярной плоскости – восемь расположенных по кругу отверстий под винты М5 с гайками, позволяющих изменять поляризацию излучаемого (принимаемого) сигнала поворотом прикрепленного рупора ступенями по 45°. Крепящие 4 винта М5 с полупотайными головками закладываются в отверстия на дюралюминиевой пластине, после чего пластина с утопленными головками винтов М5 соединяется винтами М3 с дном рупора. Отрезок пластиковой канализационной трубы, который можно приобрести в Леруа Мерлен за 51 руб., зафиксирован в основании из мебельной деревоплиты толщиной 2 см.

Устанавливаем в рупоре вибратор, прикрепляя его к дну рупора на стойках, изготовленных из двухсторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 3 мм, для чего вырезаем две стойки – полоски шириной 5 мм и длиной 24,6 мм. Фольгу на полосках оставляем по краям на 5 мм, серединную часть удаляем, благодаря чему стойки становятся диэлектрическими. На вибратор в точках нулевого потенциала одеваем скобки из медного провода 0,7…1 мм и припаиваем к стойкам. Вибратор с припаянными стойками устанавливаем на дно рупора, центруем по ранее сделанной фломастером метке и припаиваем стойки к дну рупора.

К вибратору необходимо подпаять полуметровый отрезок кабеля 50 Ом (внешний диаметр 2,8 мм) с разъемом SMA, который будет соединяться с GSM — розеткой. Для этого в рупоре напротив одной из стоек сверлим отверстие 3,2 мм, в которое устанавливаем проходную гильзу с наружной резьбой М3 и двумя гайками фиксируем её. Это необходимо, чтобы со временем не повредилась внешняя изоляция кабеля и не произошло его замыкание на корпус, что приведет к нарушению согласования. Если гильзу не использовать, кабель в отверстии необходимо жестко зафиксировать хотя бы термоклеем. Оплетку кабеля припаиваем к точке питания вибратора в той ветви, по которой он проложен и зафиксирован нейлоновыми хомутами 2,5х200 мм. Центральную жилу припаиваем к противоположной ветви вибратора. Желательно, чтобы расстояние между точками пайки не превышало 4 мм, для этого вибратор можно слегка подогнуть.

Завершаем сборку «комнатной» LTE-1800 антенны в комплексе с GSM — розеткой SimPal — T4, соединяем их разъемы SMA. На рисунке вверху это соединение показано в укрупненном масштабе. Поскольку антенна будет приподнята выше человеческого роста, мигающие светодиоды розетки окажутся вне поля зрения. Поэтому розетку фиксируем на специально изготовленной 45°- градусной подставке. Теперь можно антенну включить в сеть и оценить проделанную работу.

Но куда лучше направить антенну, где находятся ближайшие базовые станции? До этого я использовал программу «Сотовые вышки. Локатор», и она показывала лишь 3G станцию на юго — западе. Скриншот такого ориентирования показан на схеме справа. Теперь же по советам других товарищей решил воспользоваться другой программой – CellMapper, которая доступна для скачивания не только под Андроид, но и под Виндовс7-11. После установки необходима регистрация. Результат ориентирования по этой программе показан на схеме слева. Картина отличается на 200%.

Положение моего гаража в гаражном товариществе «Электрон» отмечено красной точкой, а синей линией показано направление на ближайшую базовую станцию Band3, Band7. И расстояние всего около 1,5 км. Вот тебе и «Локатор». Не зря говорят: не все йогурты одинаково полезны…

И завершающая точка. Направляем антенну на северо-северо-восток, подаем питание…Ура! Все работает!