Харченко 3g антенна – как сделать своими руками для передачи цифрового сигнала на 3G и 4G модемы — groupnk.ru — Группа НК — комплексные поставки электрооборудования в Москве и регионах

Содержание

Почему не работает антенна Харченко на 3G модем или цифровое телевидение

Такой вопрос периодически возникает у людей, которые самостоятельно изготовили по рекомендациям из интернета или технических пособий антенное устройство, а созданная конструкция своей работой не оправдало обещанных возможностей.

Им приходится разбираться в создавшейся ситуации, искать оптимальное решение.

Наши советы объясняют домашнему мастеру типичные причины подобных неисправностей и дают практические рекомендации по устранению допущенных ошибок своими руками, когда 3G антенна Харченко или любая другая плохо работает на безлимитный интернет или цифровое телевидение.

Они для наглядности дополняются картинками, схемами и видеороликом.

Содержание статьи

Как работает 3G антенна на прием

Принцип создания рабочего тока

Для упрощения понимания происходящих процессов сделаем простое сравнение любой антенны, работающей на прием высокочастотного сигнала с конструкцией обычного электрического фонарика, состоящего из:

источника питания, обладающего электродвижущей силой;
потребителя тока — осветительной лампочки;
схемы подвода напряжения (проводников и выключателя) к входным контактам нити накала.

Напряжение батарейки 4,5 вольта, подведенное по проводникам через выключатель к контактам лампочки, создает в нити накала и всей схеме ток порядка 100 миллиампер.

Весь этот процесс описывает закон Ома.

Полезную работу выполняет электрический ток, а энергию для него вырабатывает источник ЭДС. Сопротивление препятствует этому процессу, снижает достижение положительного результата.

Точно по таким же принципам работает любая антенна 3G модема или другой технологии сотовой связи (2G, 4G), систем радиовещания, аналогового или цифрового телевидения.

У антенны Харченко источником ЭДС выступает рамка-вибратор, в которой энергия принимаемой электромагнитной волны наводит напряжение, измеряемое в милливольтах или даже ниже.

Оно преодолевает электрическое сопротивление контактов подключения токопроводящих жил коаксиального кабеля, измеряемое в омах и создает в цепи приемного устройства модема ток, измеряемый в микроамперах.

Особенности работы антенны

При анализе неисправностей антенных устройств необходимо учитывать:

маленькую величину ЭДС вибратора;
направление поляризации;
частоту электромагнитной волны.

Энергия сигнала

Передатчик находится на значительном удалении от приемника. Его мощность подбирается с учетом обеспечения оптимальных условий работы систем связи и не может превышать определенных величин.

Энергия электромагнитной волны способна формировать на вибраторах приемников напряжение в милливольтах или меньше. Его очень сложно замерить тестером или мультиметром домашнего мастера, довольно просто можно потерять, а наша задача — сохранить для обеспечения уверенного приема.

Направление поляризации

Антенна передатчика на вышке оборудования сотового оператора или телевидения может располагаться в вертикальной или горизонтальной плоскости. Таким же путем пойдет от нее излучение электромагнитной волны.

Антенна приемника должна ориентироваться в этом же направлении. Иначе сигнал от передатчика не будет принят.

Для этого совсем необязательно пользоваться лазерным уровнем или даже пузырьковым. Вполне можно выставить ее «на глаз».

Частота электромагнитной волны

Если в электрическом фонарике на лампочку поступает ток постоянной формы, то электромагнитная волна распространяется синусоидой. Для 3G модема ее частота составляет 2000÷2100 МГц, а у 4G более высокая — 2500÷2600.

Современное цифровое телевидение имеет собственные стандарты. Они для каждой местности имеют свои индивидуальные значения, но находятся в свободном доступе. С ними можно ознакомиться на сайте телеоператора через поисковые системы интернет.

От частоты сигнала тока зависят габариты и конструкция антенны.

Классификация неисправностей по функциональным признакам

После вышеупомянутого пояснения можно разделить причины отказов работы антенн на группы:

невозможности приема нормального сигнала вибратором;
повышенного электрического сопротивления цепи передачи тока на входной тракт модема или телевизора.

Кратко проанализируем их.

Условия приема

Ухудшить работу антенны может ослабленный сигнал передатчика вследствие:

увеличения дальности для объектов связи;
наличия существенных препятствий на пути до приемника;
ухудшения погоды.

Дальность приема

Сотовая связь, как и система телевидения, организована таким образом, что вышки операторов покрывают расстояние для надежного прохождения сигнала ко всем точкам обслуживаемой местности. С этой целью антенны передатчиков располагают достаточно высоко.

Однако охват всей территории страны сотовой связью еще не завершен. Поэтому есть места с ослабленным или вообще отсутствующим сигналом.

Условия прохождения сигнала на местности

Как бы сотовый оператор не располагал антенны своих передатчиков, всегда могут возникнуть условия для блокировки его сигналов. Это может иметь естественные или искусственные причины.

Природные факторы снижения сигнала антенны передатчика

Местность не всегда представляет собой ровную поверхность. На ней имеются возвышенности, например, холмы, горы, высотные здания или деревья и низменности. Они влияют на качество прохождения электромагнитных волн, ослабляя или полностью блокируя мощность сигнала.

В то же время внутри такой зоны существует возможность приема информации за счет отраженного сигнала связи от окружающего экранирующего рельефа местности или зданий, сооружений.

Этот технический прием используют для организации связи. В домашних условиях требуется всего лишь покрутить антенну приемника в разных направлениях и отслеживать качество приема на оконечном устройстве: модеме, ноутбуке или телевизоре.

При отражении электромагнитных волн может происходить их незначительное искажение, что проявляется углом сдвига по фазе. При приеме основного и отраженного сигнала на антенне происходит сложение обеих волн.

Оно влияет на качество связи, особенно сказываясь на работе аналогового телевидения, когда на экране образуется сдвоенное изображение.

На практике этот случай встречается часто. Для борьбы с посторонними помехами используют защитные экраны, которые блокируют проникновение энергии отраженной волны на вход антенны приемника.

В статье о конструкции антенны с компьютерным диском тонкая алюминиевая фольга, на которой записывается информация, как раз играет эту защитную роль.

Она исключает попадание отраженных волн с обратной стороны антенны.

Человеческий фактор

Люди используют сотовую связь через 3G модем в самых различных местах и могут перемещаться внутри зоны ослабленного или заблокированного участка, например, спустившись в метро или подвал. В такой ситуации антенна перестанет работать нормально и связь прервется.

Во всех вышеописанных случаях даже мощная энергия электромагнитной волны передатчика не сможет навести нормальную ЭДС на вибраторах исправной антенны приемника.

Теперь рассмотрим случаи, когда неправильно выполненная сборка ухудшает работу связи.

Качество монтажа антенны и кабеля

Вернемся к пресловутому закону Ома и вспомним роль электрического сопротивления: оно ослабляет действие тока и способно прекратить его протекание. Поэтому в создаваемой конструкции антенны надо принимать меры по его снижению.

Электрическое сопротивление высокочастотной синусоидальной цепи уменьшает ток сигнала двумя своим составляющими:

активной;
реактивной.

Все три величины взаимосвязаны и определяются по закону электротехники треугольником сопротивлений.

В нем полная величина выражается гипотенузой, а реактивная и активная части — катетами. Рассмотрим их влияние на прием сигнала.

Активное сопротивление антенны

На его величину основное влияние оказывают:

тип металла по которому протекает ток;
протяженность магистрали;
площадь поперечного сечения.

Применительно к этим характеристикам определим способы снижения сопротивления.

Вибраторы

Основным материалом выбирают медь или алюминий, реже — сталь. Проводимость меди выше, поэтому ее использование предпочтительнее.

В конструкции любой антенны указываются габариты вибраторов и их поперечное сечение. Эти величины рекомендуется выдерживать. Изготовление различных элементов из более тонких компонентов допускается в целях облегчения общего веса. Но при этом электрическое сопротивление несколько возрастет, а ток и качество приема снизится.

Кабель

Его домашний мастер не изготавливает, а покупает в магазине или использует приобретенный ранее.

Основные ошибки, которые чаще всего допускаются, это:

завышенная длина магистрали, когда кабель лежит бухтой около приемника;
неоправданное количество дополнительных соединителей в виде штекеров.

При сборке антенны следует сразу выбирать необходимую длину для кабеля и не стараться его удлинять за счет подключения специальными соединителями. Как бы качественно их не изготавливали и монтировали, но от переходного сопротивления полностью избавиться невозможно.

Электрические контакты

Частой ошибкой в конструкции антенны бывает прямое соединение алюминия с медью, которое создает гальваническую связь и повышает переходное сопротивление. Если в бытовой сети подобные точки могут работать несколько лет, где напряжение 220 вольт просто пробивает созданный слой, то милливольты ЭДС с вибратора на это не способны. Сигнал будет резко снижаться.

Реактивная составляющая сопротивления

Если домашний мастер будет строго придерживаться конструкции антенны при ее изготовлении и подберет необходимую длину кабеля, расположив его кратчайшим путем, то особых вопросов с реактивной составляющей не будет.

В качестве примера можно привести узел согласования входного сопротивления коаксиального кабеля и вибраторов. На антенне Харченко для телевидения он делается за счет поворота кабельного конца по рамке, повторяющего его форму.

В то же время на этой же модели для 3G модема такой узел уже сложно выполнить технически из-за того, что размеры вибратора и толщина кабеля не позволяют это сделать. В этом случае согласование просто не выполняется.

Сигнал ослабляется в этом узле, но не настолько, чтобы мешать нормальной работе в зоне уверенного приема.

Как улучшить ослабленный сигнал антенны

На границах дальности вещания телевидения или передачи данных сотовой связи электромагнитная волна от передатчика на приемной стороне может наводить недостаточную по величине ЭДС на вибраторах. Она будет формировать маленькие токи высокочастотного сигнала. Их необходимо увеличить специальной электронной схемой.

Антенные усилители

Так называют специальные приборы, работающие на полупроводниковых элементах. Многие мастера спаивают их из высокочастотных транзисторов.

В качестве примера можно привести схему для повторения на одном транзисторе 2SC3358.

Усилитель располагается сразу после вибратора и получает дополнительное питание от источника постоянного напряжения 12 вольт по кабелю, за счет чего носит название активного.

Он предназначен для работы на частотах от 400 до 850 МГц и обладает общим усилением порядка 10÷15 децибел. Настройка приема телевизора производится выставлением движка потенциометра Р1 посередине, а затем перемещением в обе стороны с контролем качества изображения по экрану.

Проблемные места антенных усилителей

Когда сигнал передатчика ослаблен, то на его уровень в эфире накладывается много помех от других источников излучения (электродвигатели, трансформаторы, генераторы, сварки и др). Они влияют на качество связи, приглушают ее.

Антенный усилитель воспринимает все эти помехи и преобразовывает их совместно с основным сигналом. В результате на экране телевизора идет искажение передаваемого изображения.

Когда радиолюбитель создает мощный усилитель из нескольких каскадов транзисторов, то его уровень может быть завышен, а помехи способны вообще заглушить нужный сигнал. Чтобы этого не произошло на входе устанавливают фильтры, не пропускающие их на рабочую схему.

Подобные конструкции в промышленном исполнении для специальной аппаратуры работают надежнее. Но, благодаря сложности конструкции, они стоят дорого и в домашних условиях не применяются.

В продаже можно найти антенные усилители среднего класса, вполне подходящие для работы в быту.

Выбор другой конструкции

Статья посвящена использованию модели, спроектированной инженером радиолюбителем Харченко для радиоприемников, работающих на средних волнах в первой половине прошлого столетия. С тех пор она периодически повторяется и модернизируются для разных диапазонов благодаря простоте конструкции и широкополосному диапазону.

Однако она имеет невысокий коэффициент усиления и создается для работы в зоне уверенного приема. На дальних расстояниях с ослабленным сигналом лучше выбирать другие конструкции антенн: направленные или логопериодические. Изготовление их требует высокой точности в соблюдении размеров, но избавляет в большинстве случаев от использования усилителя.

При выборе антенны для сложных условий работы следует учитывать характеристики:

полосу пропускания;
входное сопротивление;
диаграмму направленности;
коэффициенты стоячей волны, усиления, направленности, полезного действия;
фазовую диаграмму;
шумовую температуру.

Однако в рамках этой статьи такой материал сложно уместить.

Для закрепления темы рекомендуем посмотреть видеоролик Сергея Груздева “Как настроить антенну для цифрового ТВ”

Напоминаем, что вам сейчас удобно задать вопрос в комментариях или поделиться этим материалом с друзьями в соц сетях.

Полезные товары

Патч антенна 3G — 3G-aerial

Касаясь темы антенн для 3G 4G и Wi-Fi, мы не можем обойти вниманием патч-антенны. Появление таких антенн возникло с развитием микрополосковой СВЧ технологии, в частности теории микрополосковых длинных линий передачи. Впервые идея такой антенны была предложена еще в 1954 году, однако тогда еще не было подложек для печатных плат с небольшими потерями и она была забыта. Второе рождение патч антенны состоялось в 1972 после доклада американца Роберта Мюнсона на научном симпозиуме. Антенна была им разработана для подвижных объектов, да и сейчас она пользуется особой популярностью у фанатов FPV.

Микрополосковые антенны на печатной плате применяются почти в каждом модеме или другом устройстве в качестве встроенной антенны. Такие антенны весьма технологичны и имеют низкую стоимость при массовом производстве. Не считая фрактальных структур, печатные антенны могут быть вибраторными, щелевыми, плоскими двумерными структурами. Последние представляют собой печатный излучатель в виде квадратной (прямоугольной) или круглой (эллиптической) пластины расположенной над слоем диэлектрика с металлическим экраном, другими словами изготовленные на базе двусторонней печатной платы. Это и есть патч-антенны.

Рассмотрим что из себя представляет прямоугольный патч.Это резонансная система с длинами сторон L и W близкими к половине длины волны с учетом укорочения в диэлектрике и влияния экрана. Такую конструкцию можно рассматривать как объемный резонатор открытый со всех четырех сторон. Не вдаваясь в теорию, будем иметь ввиду, что обе стороны с длиной

L не излучают, а щели сторон W — излучают. Таким образом такой патч представляет собой стек из двух элементарных полуволновых излучателей.

К недостаткам печатных антенн относится их низкий КПД и относительная узкополосность 2Δf/f₀< 5%. Для расширения полосы применяют специальные ухищрения, например U-образный вырез в центре патча. Если вместо подложки использовать воздух и увеличить расстояние от экрана, то потери в антенне значительно уменьшаются, а полоса расширяется до 15%. Полоса пропускания прямо пропорциональна отношению h/W. Именно антенны с «воздушной» подложкой стоит применять в диапазонах

3G-4G. Ну и следующий логический шаг. Если к такому воздушному патчу добавить собирающую структуру в виде таких же квадратных пассивных элементов, по типу директоров в Uda-Yagi, мы можем значительно поднять коэффициент усиления такой антенны. Но стоит не забывать, что применение такой конструкции опять же сужает и без того узкую полосу пропускания антенны.

Коэффициент усиления патч антенны варьируется от 5 до 9 dBi и сильно зависит от параметров диэлектрика. Чем выше его диэлектрическая проницаемость, тем меньше размеры патча и направленные свойства антенны — хуже. Кроме того наличие диэлектрика понижает КПД антенны. При запитывании с краю патча, входное сопротивление антенны близко к 100 Ом у «воздушного патча» и в 2-3 раза выше этой величины у печатного. Для согл

асования с фидером 50/75 Ом точку питания сдвигают ближе к центру патча. При этом сохраняется настройка в резонанс и отпадает необходимость в специальных согласующих устройствах, что является еще одним преимуществом антенны. Хотя никто не мешает применять схемы с четвертьволновыми трансформаторами сопротивлений на микрополосковых линиях. Кроме того, из таких патчей относительно несложно создать многоэтажную антенную решетку с высоким коэффициентом усиления. Именно такие конструкции продаются под именем панельные антенны.

Если к патчу подключить второй фидер по оси Y на таком же расстоянии x₀ от края, мы получим простейшую MIMO антенну, которую можно использовать в ближней зоне приема или как облучатель зеркальной антенны в случае дальней зоны от базовой станции. Срезав два противоположных угла антенны, мы получим круговую поляризацию, но для 3G-4G, Wi-Fi антенны это не актуально.

В заключении несколько слов о расчете таких антенн. Их в принципе можно рассчитать с помощью MMANA и подобных ей программ (GAL-ANA, NEC), для этого патч и экран представляют как сетку с очень большим количеством пересекающихся проводов. Но не факт что вы получите правильный результат на выходе. Так что лучше использовать профессиональные электромагнитные симуляторы, которые применяют для расчета метод конечных элементов, например: CST Studio, HFSS, Comsol Multisystems, EM.Cube. Упрощенный расчет можно провести у нас на сайте с помощью онлайн калькулятора патч антенны.

Ссылки по теме:

Антенна «Гнутик» для 3G/4G — 3G-aerial

flex01

Предлагаемая вашему вниманию антенна «Гнутик» является одной из самых эффективных проволочных антенн для 3G/4G диапазонов, которую смело можно рекомендовать для повторения начинающим антенным DIY-шникам. При коэффициенте усиления более 13 dBi, ее полоса пропускания по критерию КСВ < 2 свободно перекрывает любой из используемых сейчас диапазонов, выделенных для 3G/4G мобильных сетей. На такое не способен классический Double Bi-Quad, а антенну Харченко приходится существенно модернизировать, чтобы сделать ее более широкополосной. Да и усиление у нее значительно меньше. Почему «Гнутик»? Ведь у нас почти любая проволочная антенна своего рода гнутик. Просто так сложилось. Автором антенны является com666 (он же автор антенны «Extended Batwing»). Антенна родилась в дискуссиях и спорах между «практиками» и «теоретиками» на форуме 4PDA и получила известность именно под именем «Гнутик». Здесь в сжатом виде приводятся уже готовые результаты этой дискуссии с добавлением привычного для нашего сайта онлайн-калькулятора.

Прототипом антенны послужила статья в журнале «Радио» №7 1979 г. «Многоэтажные антенны» авторства: Г. Борийчук, В.Булыч, В.Шелонин. Эта антенна была масштабирована и оптимизирована com666 в программе 4NEC2 для работы в диапазонах мобильного интернета. В результате получилось два варианта антенны: с треугольными и ромбическими вершинами. Фото первого варианта можно видеть ниже, он уже неоднократно повторялся.

В этой статье подробно описан второй вариант, с ромбическими вершинами, который мы рекомендуем для повторения радиолюбителям.

Антенна размещается в жестяной коробке, размеры которой можно получить из калькулятора. Она играет роль рефлектора и по совместительству защищает антенну от атмосферных воздействий. Коробка закрывается любой подходящей радиопрозрачной пластиковой крышкой. Активный элемент «Гнутик» изготавливается из медной проволоки для электропроводки, крепится ко дну коробки на диэлектрических стойках и запитывается тонким пигтейлом, который в целях отсечки тока (симметрирования) прокладывается по одной из сторон

«Гнутика» и выводится через точку нулевого потенциала, располагающуюся у одной из вершин антенны.

Чтобы согнуть этот «Гнутик», вспоминаем школьный курс геометрии, отмечаем на доске или куске фанеры оси абсцисс и ординат и размечаем точки из таблицы (h0-h5), вокруг которых нужно гнуть проволоку. Поскольку антенна симметрична относительно обеих осей, то даны координаты только пяти из 18-и необходимых точек (можно ограничится 10-ю точками выше оси x и гнуть антенну по половине). В эти точки забиваются гвозди без шляпок диаметром 1 мм, а в точках h0 и h2 (а также в их зеркальные двойники) — более толстые. Можно обмотать их изолентой для достижения нужного диаметра направляющей. Вокруг этих направляющих натягивается предварительно выпрямленный провод. Общий чертеж антенны:

На чертеже h0..h5 — направляющие, вокруг которых гнется провод, p0..p4 — точки изгибов по осям провода, l1..l5 — длины отрезков (с учетом изгибов). Координаты точек h0..h5, p0..p4, длины отрезков и размеры рефлектора рассчитываются в онлайн калькуляторе. Плоскостью вибратора считается плоскость проходящая через центральные оси проводов. Допускается применение провода ближайшего по диаметру. Например если калькулятор предлагает провод диаметром 1,6мм (2 мм

2), то можно брать и провод диаметром 1,8 мм (2,5 мм²). Антенна имеет входное сопротивление 75 Ом и рассчитана на работу с более дешевыми 75-омными фидерами. Усиление не менее 13 dBi. На чертеже антенна имеет горизонтальную поляризацию. Так пошло от автора антенны, почему — можно посмотреть здесь и здесь. Мы рекомендуем на месте при установке поэкспериментировать с ориентацией антенны — 0°, ±45°, 90° относительно вертикали по критерию силы сигнала и скорости.

ВВЕСТИ ДАННЫЕ:

Калькулятор основан на моделях антенны

«Гнутик» в HFSS. Вы можете их скачать архивом, в который добавлена оригинальная авторская модель гнутика для 4NEC2. Характеристики антенны для диапазона LTE1800 (band3) можно посмотреть на следующих изображениях:

Диаграмма направленности Гнутика секторальна. Главный лепесток сильнее сплюснут в вертикальной плоскости чем в горизонтальной, что обуславливает более легкую настройку антенны на базовую станцию несмотря на ее достаточно большое усиление. В сравнении с антенной Quados «Гнутик» имеет более простую схему симметрирования/согласования и позволяет использовать более дешевый 75-омный фидер. Кроме того, Quados имеет полосу пропускания по критерию КСВ < 2 недостаточную для 3G/4G диапазонов. Следует отметить принципиальное отличие между антенной Double Bi-Quad и прототипом «Гнутика» — многоэтажной антенной из журнала Радио. Это — разная фазировка питания второго этажа. К.П.Харченко в своей книге «Антенны УКВ» предлагал третий вариант — стек в два этажа из двух одиночных зигзагов, питаемых через сумматор/тройник. Среди специалистов не утихают споры о преимуществах и недостатках той или иной схемы. Что же. Пусть спорящие специалисты — «практики» и «теоретики» — рвут себе пуканы. В споре, как известно, рождается истина. Мы же предлагаем DIY-шникаим антеннщикам просто воспользоваться результатами этого спора, сказать спасибо com666, засучить рукава и начать гнуть «Гнутики», чтобы иметь быстрый интернет.

Ссылки по теме:

3G антенна (Харченко)

Антенна Харченко получила большую популярность в рунете, по отзывам имеет неплохой результат в приеме 3G сигнала.

Частота = 2100 МГц
λ (длина волны) = 143 мм
Каждая сторона квадрата = 53 мм
Диаметр медного провода = 4 мм
Общая длина медного провода = 424 мм
Рефлектор = 135 Х 120 мм (длина Х ширина)
Усиление = 6-8 дБ

Рекомендую совместить с «Антенна 3G Харченко и спутниковая тарелка»

Отмеряем 53 мм и изгибаем на 90°:

Должен получится bi-quad (двойной квадрат):

Теперь из квадратов нужно сделать ромбы с углом в 120˚:

Дальше паяем кабель к антенне:

Рефлектор можно изготовить из фольгированного текстолита или на заготовку наклеить толстую пищевую фольгу:

Выдержать расстояние между рефлектором и антенной — 36 мм, это можно сделать с помощью колпачка от дезодоранта.

С помощью термоклея фиксируем на рефлекторе:

Харченко 3g антенна – как сделать своими руками для передачи цифрового сигнала на 3G и 4G модемы