Как выбрать антенну 3G / 4G (LTE)

На сайте представлены антенны, имеющие одинаковые или похожие характеристики, но отличающиеся исполнением:  широкополосные, с выходным сопротивлением 50 Ом и 75 Ом, MIMO 2x2 с двумя выходами и простые с одним выходом, панельные и волновой канал (Яги), с гермобоксом и без него. Предлагается также целый ряд кабелей, разъемов и адаптеров для подключения модемов и роутеров.

Все это многообразие создает определенные трудности при выборе конкретной модели ан­тенны, а также кабелей, разъемов, переходников и другого оборудования. В статье даны реко­мендации, как сделать конкретный выбор, подходящий именно к вашим условиям. В чем со­стоят его достоинства и недостатки, что вы приобретаете и что теряете, сделав тот или иной выбор оборудования и схемы подключения.

Предполагается, что вы уже определились с основными параметрами  — диапазоном работы (3G/4G), усилением антенны, высотой ее установки, направлением на базовую станцию. Необходимо выбрать конкретные модели антенны, модема/роутера, кабелей, переходников-адаптеров и пр.

Схема подключения оборудования

Начнем с анализа ваших потребностей в интернете — какое оборудование, имеющееся у вас,  должно иметь выход в интернет.

Если вам нужен доступ в интернет только для компьютера/ноутбука и пары мобильников, то схема подключения может быть самой простой: антенна — модем — компьютер. Один-два смартфона могут иметь выход в интернет через компьютер, который может быть стандартны­ми средствами операционной системы превращен в WiFi-точку доступа для мобильников. Разновидности этой схемы — модем может быть подключен непосредственно к USB-разъему компьютера/ноутбука и подключен к антенне с помощью одной-двух кабельных сборок нуж­ной длины, включая адаптеры, а может быть заключен в гермобокс, установленный на антенне и соединен с компьютером при помощи USB-удлинителя.

Если у вас несколько устройств (компьютер, ноутбук, телевизор, медиаплеер, планшет и т. п.), которым необходим выход в интернет одновременно, то без роутера вам не обойтись. Схема подключения будет более сложной. Здесь также могут быть разновидности схемы под­ключения — модем в гермобоксе, модем отдельно от роутера и подключен кабельными сбор­ками или через адаптер к антенне.

Таким образом, мы видим большое разнообразие комбинаций различных вариантов выбора оборудования для достижения одной и той же цели — подключение к мобильному интернету. Это многообразие можно представить в виде обобщенной схемы:

Антенна — Фидерная линия — Модем/роутер

Термин «фидерная линия» или просто фидер обозначает совокупность всех кабелей, разъемов, переходников, адаптеров и пр., что соединяет антенну с модемом или роутером (если модем встроен в роутер). Этот термин введен здесь для простоты дальнейшего изложения.

При выборе оборудования руководствуются обычно двумя альтернативными критериями:

(1) достижение лучшего качества интернета (скорости приема/передачи) при разумных ограничениях на общую стоимость или

(2) получение приемлемого качества приема при наименьших затратах на создание подключения, т. е. на оборудование.

Рассмотрим выбор элементов исходя из этих критериев.

Выбор антенны

Антенна — важнейший элемент схемы. От нее в основном зависит качество приема и ско­рость передачи данных. Здесь мы предполагаем, что усиление антенны выбрано и нам из­вестно направление на БС. Нужно выбрать конкретную модель из предлагаемого на сайте ассортимента.

Трудности выбора можно проиллюстрировать простым примером. Пусть, согласно нашим расчетам (см. статью, шаг 5), нам нужна антенна с Коэффициентом Усиления большим или равным 12-15 дБи, работающая в диапазоне 3G (UMTS 2100). На странице сайта мы видим, что почти все антенны, представленные здесь, нам подходят по усилению. Но нам нужна только одна единственная! Какие же свойства антенны будут нас интересовать при выборе единственной?

Широкополосная или узкополосная?

В каких случаях нужны широкополосные антенны? В чем их достоинства и недостатки?

Нужда в таких антеннах возникает, когда требуется принимать сигнал в разных диапазонах частот и нет возможности ставить отдельные антенны на каждый диапазон. Например, когда требуется одновременно принимать сигнал GSM для голосовой связи и сигналы 3G/4G ин­тернета. Или, когда требуется принимать сигнал LTE-A, разнесенный по разным частотным диапазонам. Или, когда не допустимы длительные перерывы в интернет-связи, т. к. 3G/4G ра­ботают нестабильно. В этом случае модем будет автоматически переключаться на подходя­щий стандарт связи (2G, 3G или 4G), не допуская длительных потерь сигнала. Однако такая «всеядность» антенны имеет свои недостатки. Если интернет сигнал достаточно стабилен (модем не переключается на другой стандарт), то широкополосная антенна будет ловить по­мехи, создаваемые голосовой связью GSM 900/1800, сигналами 4G, интерференцией сигна­лов разных источников, лежащих в широком диапазоне частот принимающей антенны.

Таким образом, широкополосность может быть как достоинством, так и недостатком в зави­симости от решаемой нами задачи.

Панельная, Яги или облучатель?

Антенны делятся на три типа:

  • Облучатель для спутниковой тарелки,
  • Панельная антенна,
  • Антенна типа «волновой канал» (Яги).

 

Облучатель для спутниковой тарелки предназначен для приема сигнала на границе зоны об­служивания (для 3G это порядка 30 км) в условиях прямой видимости до БС. Такая конструк­ция обладает повышенным усилением, но требует определенного умения при настройке, т. к. обладает узкой диаграммой направленности и требует точного знания места положения БС и хорошего рельефа местности. Для применения облучателя необходимо приобретать дополнительное оборудование — тарелку от стороннего производителя. Диаметр тарелки выбирается из необходимого усиления антенны, см. таблицу в описании товара.

С точки зрения потребительских качеств, панельная антенна и антенна типа «волновой канал» (Яги) имеют как схожие, так и различные свойства.

Схожие параметры - обе антенны направленные. Обе антенны могут иметь примерно одинаковый коэффициент усиления (КУ) в рабочем диапазоне.

Различающиеся параметры - у Яги существенно больше неравномерность усиления в рабочем диапазоне частот. Например, AX-2017Y и AX-2017P. Казалось бы усиление у них одинаковое. Но у AX-2017Y КУ в диапазоне 1910-2180 МГц, меняется в пределах 13-17dBi, а у AX-2017P КУ в этом же диапазоне меняется в пределах 15,5-17dBi.

При требованиях работы антенны в очень узкой полосе частот, Яги будет всегда дешевле панельки при одинаковых КУ.

Таким образом, если выбирать по критерию стоимости оборудования, то антенны Яги дешевле и выигрышны в узкой полосе частот, но имеют большую неравномерность по КУ в широком диапазоне частот. Если выбирать по критерию качество сигнала, то панельная антенна предпочтительней, но имеет более высокую стоимость.

Еще одним преимуществом антенн типа Яги является их малый вес и парусность, что позволяет поднимать их достаточно высоко, особенно там, где этого требует рельеф!!!

MIMO или нет?

MIMO-антенна это, по сути, две антенны в одном корпусе, развернутые друг относительно друга на угол 90 град. Такая конструкция создает дополнительный канал связи. Естественно, что такая схема должна использоваться как на БС, так и на нашей антенне. В стандартах 4GLTE такая технология поддерживается, что может дать увеличение соотношения сигнал/шум на 8-10 дБ и, как следствие, дополнительное увеличение скорости. Теоретически за счет создания второго канала скорость может возрасти в два раза. Для сетей 3G все не так однозначно. В сети 3Gуже работают тысячи БС без MIMO, зачастую внедрение этой схемы дает обратный эффект — пропускная способность снижается. Поэтому провайдеры не спешат внедрять MIMO в сети 3G.

Таким образом, для 4G антенна с MIMO дает существенное увеличение качества приема, для 3G такая антенна может применяться, если есть уверенность, что БС в стандарте 3G работает в режиме MIMO.

Разумеется антенны с MIMO дороже обычных антенн.

50 Ом или 75 Ом?

Входное сопротивление антенны – это физический параметр антенны, который важен для согласования антенны и фидерной линии. Их входные сопротивления должны быть одинаковыми, в противном случае возникает отраженный сигнал, который увеличивает потери в фидере, т. к. не весь сигнал передается в линию. Отраженный сигнал рассеивается в кабеле и антенне.

Выбор антенны по этому параметру определяется выбором кабеля для фидера. Забегая немного вперед, скажем, что кабель с входным сопротивлением 75 Ом значительно дешевле кабеля 50 Ом, но определенные марки кабеля имеют такие же (или лучшие) характеристики по потерям.

Таким образом, если мы хотим сэкономить на длинном кабеле, то выбираем антенну 75 Ом и соответствующий кабель.

Необходимо пояснить следующее. Для всех известных роутеров и модемов производители рекомендуют использовать кабель 50 Ом, поэтому их снабжают соответствующими разъемами. При подключении кабеля с другим волновым сопротивлением появляются небольшие отражения, варьирующиеся от качества примененных переходников/разъемов. Если у вас очень слабый сигнал и вы дорожите каждым децибелом, или длина фидера небольшая (до 5 метров) то лучше выбрать кабель, рекомендованный производителем – 50 Ом.

Выбор элементов фидерной линии

Фидер — это линия передачи, по которой осуществляется направленное распространение сигнала от источника к приемнику. В нашем случае это та совокупность кабелей и адаптеров, которая расположена между антенной и модемом, т. е. передает сигнал от антенны к модему и обратно. При выборе фидерной линии можно руководствоваться двумя формулировками:

(1) минимум потерь сигнала с разумными ограничениями на стоимость элементов и

(2) критерий минимальной стоимости фидера при ограничении на величину потерь некоторой разумной величиной.

Гермобокс

Самый радикальный способ избавиться от потерь в фидере — это избавиться от самого фидера. Нет фидера — нет проблем с потерями сигнала. Именно такое решение воплощено в гермобоксе.

Наряду с несомненным достоинством гермобокса — отсутствием потерь сигнала, он обладает рядом недостатков:

  • Длина USB-кабеля ограничена 10 метрами. При увеличении длины может наблюдаться перебои в работе модема, связанные с его питанием и синхронизацией, согласно стандарта USB 2.0 в первую очередь.
  • Ограничения использования гермобокса, связанные с температурным режимом. Модем устойчиво работает при плюсовых температурах. В суровый зимний период модем необходимо оставлять включенным круглосуточно, иначе он замерзнет. Если на улице стоит изнуряющая жара длительное время, то модем может перегреться и зависнуть, поэтому ему возможно потребуются перерывы в работе.
  • Неудобство обслуживания — при смене сим-карты, при окончании «дачного сезона» и других подобных ситуациях, когда нужен доступ к модему, приходится снимать антенну, откручивать гермобокс, проводить необходимые действия, возвращать антенну на место и вновь ее настраивать.

Для устранения первого недостатка в гермобокс можно поместить не только модем, но и роутер. Такая схема практически снимает ограничение по длине соединительного кабеля — кабель витая пара может иметь длину до 70 метров. Однако другие недостатки, связанные с температурным режимом и обслуживанием, остаются в силе.

Кроме того, поскольку роутер помещается рядом с антенной, то зона уверенного приема сигнала WiFi может оказаться недостаточной для покрытия всего дома. Впрочем, это условие не обязательно, т.к. роутер здесь выступает все же не для формирования зоны покрытия WIFI а для увеличение длины кабеля связи.

Разумеется, антенны с гермобоксом дороже обычных антенн, но это увеличение цены компенсируется тем, что мы экономим на покупке кабелей, избавляемся от потерь, размещаем антенну в единственном месте где есть сигнал от оператора, даже за 50-100 метров от вашего ПК.

Кабели

Характеристики потерь для 10 погонных метров кабелей, которые наиболее популярны, сведены в следующую таблицу.

Марка кабеля

Входное сопротивление

Потери на частоте

 

1800

2100

2600

RG-58A/U

50 Ом

-4.54

-5.0

-5.71

 

RKРК50-3-18

50 Ом

-5.7

-6.25

-7.1

 

5D-FB

50 Ом

-2.89

-3.15

-3.55

 

SAT-703

75 Ом

-2.45

-2.65

-3.5

 

Отметим, что кабель SAT-703 предназначен для прокладки внутри помещения, для улицы его необходимо прокладывать в гофре с целью избежать его разрушения.

Есть следующие подсказки для выбора кабеля из нескольких предлагаемых в точке продажи в случае если их характеристики неизвестны:

  1. Чем толще кабель, тем меньше в нем потери.
  2. Двойной экран (экран в виде фольги + плетеный экран) лучше одного
  3. Чем плотнее плетеный экран, тем меньше потери
  4. Кабель с вспененным центральным диэлектриком имеет меньшие потери чем с сплошным полиэтиленом
  5. Медные проводники предпочтительнее алюминиевых и стальных в плане потерь, долговечности и надежности

Немного о разъемах

Антенны с входным сопротивлением 50 Ом комплектуются, как правило, разъемами типа N, антенны с сопротивлением 75 Ом – разъемами типа F. Площадь контакта F-разъем меньше, чем у N или SMA разъема, поэтому надежность работы системы несколько меньше.

Стандартный F-разъем, в основном, предназначен для работы на частотах до 1-2 ГГц, он имеет заметный КСВ и накладывает этот отпечаток на КУ антенны, ее коэффициент шума.

Адаптеры для подключения к модему

Адаптер предназначен для передачи сигнала от антенны или фидера к модему/роутеру. На сайте представлены два вида адаптеров — пигтейлы, предназначенные для модемов с контактами для подключения внешней антенны и в виде «коробочки» АХ-3000, предназначенные для подключения модемов без гнезд для антенны.

Адаптеры АХ-2000 и АХ-3000 имеют потери от 1 до 5 дБ в зависимости от моделей модема и его внутреннего расположения антенн. Первоначально эти адаптеры предназначались для таких модемов как Huawei e371, E150, и др. 3G модемов без разъема. Модемы с двумя антеннами на борту (с двумя гнездами) не рекомендуется использовать с такими адаптерами.

Заключение

В статье детально рассмотрены вопросы выбора конкретных моделей оборудования для приема 3G/4G-сигналов, начиная с антенн и заканчивая выбором адаптера для модема/роутера. Проведен анализ достоинств и недостатков различных вариантов выбора, даны рекомендации с точки зрения двух критериев:

(1) достижение лучшего качества интернета (скорости приема/передачи) при разумных ограничениях на общую стоимость,
(2) получение приемлемого качества приема при наименьших затратах на создание подключения, т. е. на оборудование.
В Приложении приведен пример такого выбора.
Рекомендации по выбору модема/роутера будут приведены в следующей статье.

Приложение — пример выбора комплекта оборудования

Исходные данные

Предположим, что мы определились с основными параметрами для выбора конкретной модели антенны — по нашим расчетам мы хотим принимать сигнал 4G на максимально возможной скорости, нам известен необходимый коэффициент усиления антенны, направление на БС, расстояние до БС, высота установки антенны. Пусть будет — требуемый КУ не менее 13 дБи, частота 4GLTE=2600 МГц. Нам нужно подключить интернет на 1-м этаже двухэтажного дома (дача, используемая в летние месяцы постоянно и 1-2 раза в месяц в холодное время года), антенну планируем установить на фасаде дома на высоте примерно 8 м. Нужно подключить несколько устройств, поэтому выбираем схему подключения с роутером, который можно установить в комнате 2-го этажа в непосредственной близости от антенного ввода, при этом длина кабеля не превышает 4 метров.

Выбор антенны

Согласно исходным данным, широкополосная антенна нам не нужна.

Отказываемся от всенаправленной антенны, т.к. она не обеспечивает нужный КУ. Комнатную антенну также вычеркиваем, т. к. нам некуда ее поставить внутри помещения.

Поскольку мы используем 4G, то целесообразно выбрать антенну с MIMO 2x2. Антенны типа Яги можно подключить по схеме MIMO с помощью специального кронштейна КМ-2, при этом используется две одинаковых антенны. Поскольку мы планируем установить антенну на фасаде, то Яги будет существенно выступать из под крыши дома, весной-осенью или в оттепель на эту антенну польются ручьи с крыши и ее будет заливать, возможно ее обледенение. Поэтому мы ее также исключим из рассмотрения.

Из-за неудобства обслуживания в условиях дачи исключаем из рассмотрения антенны с боксом. Остается для выбора 7 моделей антенн.

Модель антенны

Коэффициент усиления (дБи)

Входное сопротивление

Скорость передачи данных (Мбит/сек)

 

Примечание

AX-2513P MIMO 2x2, панельная

13

50/75

150

 

Различаются входным сопротивлением и разъемами

AX-2600 OFFSET MIMO 2x2 офсетный облучатель

21

с тарелкой 0.55

50/75

 

 

Требуется дополнительная деталь.

AX-2520P MIMO 2x2, панельная

20

50/75

100

 

Различаются входным сопротивлением и разъемами

AX-2517P MIMO 2x2, панельная

17

50

150

 

Разъемы типа N

Панельную антенну АХ-2520Р мы вычеркиваем, т. к. тот же КУ нам обеспечит облучатель с тарелкой за меньшие деньги. Учитывая неизбежные потери в фидере порядка 3 дБ мы также отказываемся от антенны АХ-2513Р и оставляем для рассмотрения 3 антенны:

Модель антенны

Коэффициент усиления (дБи)

Входное сопротивление

Скорость передачи данных (Мбит/сек)

 

Примечание

AX-2600 OFFSET MIMO 2x2 офсетный облучатель

21

с тарелкой 0.55

50/75

 

 

Различаются входным сопротивлением и разъемами

AX-2517P MIMO 2x2, панельная

17

50

150

 

 

Отметим, что спутниковую тарелку типа Супрал можно купить примерно зот 4500 руб, например, здесь.

Таким образом, мы определили три модели антенны. Окончательный выбор сделаем после того, как определимся с внутренним сопротивлением. Для этого рассмотрим выбор элементов фидерной линии.

Выбор фидера

Наша фидерная линия состоит из кабеля с разъемами и адаптеров для подключения к модему. С адаптерами все понятно — нужен адаптер для подключения к 4G-модему. Поскольку адаптер АХ-3000 имеет повышенные потери (1-5 дБ), то целесообразно выбрать модем в двумя гнездами для подключения внешней антенны, т. е. пигтейлы.

Теперь о кабеле. В нашем распоряжении на выбор несколько марок кабеля (см. сравнительную таблицу) .

Оценим потери при выборе двух наиболее популярных марок  кабеля на частоте 2600 МГц.

Марка кабеля

Потери на 4 м (дБ)

Доп. материалы

 

5D-FB

-0.355х4=-1.42

нет

 

SAT-703

-0.35х4=-1.4

Гофра, муфты и пр. (примерно 300р.)

 

Как видим, экономия на фидере при выборе SAT-703 составляет примерно 300 руб при практически одинаковых потерях. Небольшие потери (около 1дБ) могут возникнуть на модеме при выборе 75-омного кабеля.

Для выбора окончательного варианта сведем наши результаты в таблицу:

№ п/п

Антенна

Кабель

Потери

Общий КУ

 

1

AX-2600 OFFSET MIMO 2x2, 75 Ом,  облучатель

SAT-703

-1.4-1.0 (на модеме)

21.0-1.4-1.0=18.6

 

2

AX-2600 OFFSET MIMO 2x2, 50 Ом,  облучатель

5D-FB

-1.42

21.0-1.42=19.58

 

3

AX-2517P MIMO 2x2, панельная

5D-FB

-1.42

17-1.42=15.58

 

Итак, мы выбрали три варианта антенны и фидера, которые обладают практически одинаковыми качественными характеристиками с точки зрения усиления и потерь, но дают разброс по стоимости в 1200 руб. Оптимальным выбором с точки зрения цены можно считать вариант 1 — облучатель 75 Ом с тарелкой 0.55 Супрал и кабелем SAT-703. Отметим, что настройка антенны с облучателем будет не сложнее настройки панельной антенны, т. к. при диаметре тарелки 0.55 м ширина диаграммы направленности составляет 13 градусов, что позволяет навести антенну на БС даже неопытному настройщику.


  Коэффициент стоячей волны (КСВ), это коэффициент показывающий какая доля мощности полезного сигнала отразилась в линии передачи от некой нагрузки(антенны, модема, переходника, разъема, пигтейла и т.д.). Высокочастотная энергия перемещается по линии не так как постоянный ток, она может отражаться от нагрузки, если нагрузка или кабель имеют разное сопротивление. КСВ показывает качество передачи энергии из приемника в антенну и обратно, чем меньше КСВ тем лучше согласована радиостанция с фидером и антенной. КСВ не может быть меньше 1. В области связи обычно считается что если значение КСВ=2 – удовлетворительное, КСВ<1,5 – хорошее, КСВ<1.2 – отличное.

 

Комментарии

Пока нет комментариев

Написать комментарий