Какую GSM-антенну выбрать для квартиры, загородного дома или транспорта

Как подобрать антенну за 3 шага

1. Определите расстояние до базовой станции
От расстояния между базовой станцией и местом обеспечения связи зависит тип направленности антенны и ее коэффициент усиления. Подробнее в разделе Расстояние до базовой станции
2. Определите на каких частотах работает базовая станция
Рабочая частота антенны должна совпадать с тем частотным диапазоном, в которой работает базовая станция. Подробнее в разделе  Частотный диапозон
3. Определите оптимальное место установки антенны
Для установки антенны может понадобится крепление и кабель. Подробнее в разделе  Правила установки антенн

Что такое антенна

Антенна (применительно к сотовой связи) – это устройство для приема сигнала от базовой станции сотового оператора и передачи его терминальному устройству, и наоборот: передачи сигнала от устройства на базовую станцию. Терминальным устройством выступает модем или роутер.

Между базовой станцией и антенной сигнал передается благодаря распространению электромагнитных волн. Электромагнитная волна, даже в открытом пространстве, очень быстро затухает (пропорционально квадрату расстояния), поэтому антенна должна принимать и передавать сигнал без собственных потерь, на сколько это возможно.

Антенну и терминальное устройство соединяет кабель, в задачу которого входит принимать сигнал от антенны и транслировать его терминальному устройству и обратно с минимальными потерями. Часто кабель является неотъемлемой частью антенны, подробнее о нюансах кабеля в разделе Коаксиальный кабель.

Важные параметры антенн

Для описания антенн используется много параметров, я перечислю только те основные, которые в большинстве случаев достаточны для выбора антенны.

Основные параметры антенн:

1. Коэффициент усиления
2. Тип направленности

• Всенаправленные (или ненаправленные) антенны

• Направленные антенны

3. Частотный диапазон

• Широкополосные антенны
• Узкополосные антенны

Расскажу подробно о каждом параметре антенны. Начну с наиболее важного параметра антенны, который проходит сквозь все остальные параметры красной нитью. Речь пойдет о коэффициенте усиления.

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления (КУ) — это отношение мощности на выходе нашей антенны к мощности на выходе эталонной всенаправленной антенны, при равных условиях напряженности поля и плотности потока мощности.

Хотя в названии коэффициента усиления акцент именно на слово «усиление», но нужно понимать, что сама антенна не усиливает сигнал, у нее для этого нет никаких активных усилителей. Усиление происходит за счет того, что антенна концентрирует излучение в ограниченном пространстве.

КУ измеряется в изотропных децибелах (русское обозначение – дБи; международное – dBi). Изотропный децибел — единица измерения усиления исследуемой антенны относительно эталонной. дБи относительная единица, ничем, по сути, от децибела она не отличается, кроме определения эталона.

Под эталонной антенной понимают вымышленную идеальную антенну, распространяющую сигнал равномерно во все стороны и во всех плоскостях. Излучение сигнала у такой антенны выглядит как поверхность идеального шара, а КУ равен 0 дБи во всех направлениях.

Чем дальше значение КУ от 0 дБи в положительную или отрицательную сторону, тем больше отличается реальная антенна от эталонной. А поскольку эталонная антенна идеально всенаправленна, то реальная антенна будет наоборот – более направлена. Таким образом коэффициент усиления характеризует направленность излучения приема сигнала.

Диаграмма направленности.

Зависимость КУ от направления отображают на диаграмме направленности. В общем виде диаграмма направленности антенны, это некая объемная фигура, и для того, чтобы была возможность численно с ней работать, берут ее сечение в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Соответственно различают горизонтальную и вертикальную диаграмму направленности. Горизонтальная располагается в плоскости параллельно земле, а вертикальная в плоскости от земли до неба. Читать диаграмму направленности нужно так: по диаметру круга расположен угол распространения сигнала, внутри круга – значение КУ.

Изотропный децибел.

Изотропный децибел – единица измерения КУ. Это логарифмическая шкала, то есть каждая следующая единица дБи в несколько раз увеличивает значение мощности. Например, если коэффициент усиления антенны в заданном направлении составляет 5 дБи, это означает, что в данном направлении мощность излучения в 3,16 раза больше, чем мощность излучения идеальной изотропной антенны. Значение дБи в разах представлено в таблице ниже.

Из сказанного может показаться, что нужно просто выбрать антенну с максимальным КУ и не иметь проблем. Это не совсем так. В реальности качество получаемого сигнала во многом зависит от диаграммы направленности антенны, типа и длинны используемого кабеля, окружающих помех, корректной установки и настройки антенны. Подробно это написано в главе Факторы, которые стоит учитывать.

Тип направленности

Антенны могут распространять сигнал во всех направлениях, или концентрировать в определенном направлении. На сколько КУ в одном направлении выше, чем в другом определяет направленность. Антенны делятся на всенаправленные (их еще называют не направленные) и направленные.

Если коэффициент усиления антенны выше 1 (0 дБи), то антенна обязательно обладает какой-то направленностью.

Всенаправленные (или ненаправленные) антенны в горизонтальной плоскости принимают и передают сигнал одинаково во все стороны. Для данной антенны горизонтальная диаграмма направленности – круг.

Компьютерное 3D моделирование диаграммы направленности для всенаправленной антенны представлено ниже.

Всенаправленные антенны просты в установке, так как их не нужно направлять на базовую станцию. Это актуально, когда базовая станция расположена неподалеку или если антенна установлена на автомобиль, который постоянно передвигается. В связи с тем, что такие антенны не направлены у них низкий КУ.

Плюсы и минусы всенаправленной антенны:

Легкость установки

Ловит соединение от нескольких базовых станций

Слабое усиление сигнала

Направленные антенны хорошо принимают и передают сигнал в одном направлении. В других направлениях антенна вносит существенное затухание в сигнал. Диаграмма направленности такой антенны имеет сложную форму, смещенную в одну сторону.

Компьютерное 3D моделирование диаграммы направленности для направленной антенны представлено ниже.

В случае направленных антенн рабочая ширина распространения сигнала (также ее называют шириной главного лепестка диаграммы направленности) определяется как угол ϴ, в пределах которого КУ уменьшается не более чем на 3 дБ.

КУ характеризует направленность антенны. Чем выше КУ, тем меньше будет угол ϴ. Чем меньше угол ϴ, тем более направленным будет сигнал.

У направленной антенны КУ значительно выше, чем у всенаправленной, поэтому она используются, когда расстояние до базовой станции большое и усиления всенаправленной антенны не хватает. При установке направленную антенну необходимо направить на базовую станцию и зафиксировать в таком положении. Направленная антенна всегда должна быть ориентирована на базовую станцию.

Плюсы и минусы направленной антенны:

Большое усиление сигнала

Фильтрует помехи (по направлению

Трудность при установке, необходимо ориентировать антенну на базовую станцию

Массивность и высокая стоимость

Частотный диапазон

В книжках обычно приводят такое определение: частотный диапазон – это полоса частот (от f1 до f2), в которой КУ антенны уменьшается не более чем на 3 дБ.

Простыми словами, это те частоты, на которых антенна хорошо работает. В России, для сотовых операторов выделено 6 частотных диапазонов: 450 МГц, 800 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 2100 МГц и 2600 МГц. Иначе диапазон частот называют band («бэнд»), они пронумерованы. Применение тех или иных бэндов сотовой связи в разных странах могут отличаться. Стандарты связи, их частоты и бэнды для России приведены в таблице.

Для работы на определенной частоте подбирается такая антенна, которая поддерживает этот частотный диапазон. Одна и та же базовая станция может работать сразу в нескольких стандартах и нескольких бэндах. Какой именно бэнд будет выделен для конкретного терминального устройства, определяется многими факторами, в том числе, не зависящими от желания абонента. Если модем работает только в стандарте 2G, то наверняка, конкретная базовая станция будет обслуживать данный модем всегда только на одном бэнде, и поэтому достаточно подобрать антенну работающую именно в этом диапазоне частот (достаточно «одночастотной» антенны).

Но если необходимо работать на нескольких стандартах связи, т.е. охватить несколько бэндов, то в таких случаях выбирается антенна, которая сможет работать в соответствующих диапазонах частот («многочастотная» антенна). Естественно, на каждой частоте такая антенна будет работать хуже одночастотной, но все еще приемлемо для передачи нормального сигнала.

Факторы, которые могут ухудшить связь

Существуют факторы, которые не относятся напрямую к антенне, но могут значительно ухудшить связь даже самой дорогой антенны. Их стоит учитывать еще на этапе выбора антенны.

Расстояние до базовой станции

Расстояние до БС (базовой станции) можно определить через мобильные приложения, например, приложение «Сотовые вышки. Локатор» или Netmonitor. Приложения показывают сотовые вышки вокруг пользователя, их оператора и частоты на которых сотовая вышка работает.

Чем больше расстояние между антенной и базовой станцией, тем больший КУ должен быть у антенны.

Придельная дальность, при которой связь еще возможна, зависит от стандарта связи (2G, 3G, LTE) и частот, осуществляется связь. На придельной дальности связь еще возможна, но при этом скорость передачи данных падает до минимальных значений.

Например, для LTE значение придельной дальность выглядят так:

Следует понимать, что эти значения достижимы только при отсутствии на пути до базовой станции зданий, леса, гор и других значительных препятствий.

Для стандарта 2G значения больше:

На малых расстояниях, примерно, до четверти от предельных значений и, отсутствии препятствий на пути распространения радиоволн от БС, подойдет всенаправленная антенна. Если расстояние больше, то рекомендуется устанавливать направленную антенну.

Источники помех

Помимо самой дистанции между антенной и базовой станцией, важно учитывать источники помех, находящихся на этом промежутке. Источником помех может выступать, линии ЛЭП, аэропорт, крупный ЖД узел, мощные теле- и радиостанции, и прочее. Если рядом есть такой источник помех, не важно на каком расстоянии от вас находится базовая станция, лучше установить направленную антенну. У направленной антенны узкая ширина распространения сигнала, поэтому она значительно ослабляет сторонние шумы и помехи.

Поворот направленной антенны

Направленную антенну необходимо направить на ближайшую БС того сотового оператора, сигнал которого требуется усилить. Расположение базовых станций можно посмотреть по карте вышек сотовой связи. Найти такую в интернете не сложно, неплохая карта OpenCellid. Проверить уровень сигнала при подключении модема можно через его терминальную программу, а для роутера через веб-интерфейс.

Коаксиальный кабель

Любой коаксиальный кабель вносит потери в сигнал. Эти потери связаны с затуханием сигнала при прохождении его по кабелю. На величину затухания влияет марка кабеля, его длинна и частота передаваемого сигнала. Так же значение затухания в кабеле зависит от используемых материалов и технологии его производства, поэтому это значение разнится от производителя к производителю даже когда марка одна и та же. Обращайте внимание на характеристики кабеля при покупке.

Каждая марка кабеля имеет свое значение затухания, но общий принцип такой:

• Чем длиннее кабель, тем больше потери.

В основном производители кабелей указывают значение затухания на один или сто метров кабеля. Чтобы определить, какое затухание будет в вашем кабеле умножьте его затухание при нужной частоте на длину кабеля.

• чем больше частота сигнала, тем больше потери.

Сигнал с частотой 2600 МГц затухает значительно больше, чем сигнал 800МГц. Поэтому, если планируете работать на частоте 800 МГц, то длину кабеля можно взять в два раза длиннее, чем если бы вы работали на частоте 2600 МГц.

• Волновое сопротивление кабеля – 50 Ом.

Коаксиальный кабель для GSM, 3G и LTE антенн обязательно должен иметь волновое сопротивление 50 Ом. Связано это с тем, что входное сопротивление 2G, 3G, 4G антенн и терминального устройства составляет по 50 Ом. Коаксиальный кабель должен иметь такое же сопротивление, иначе потери сигнала будут намного больше.

Коэффициент стоячей волны

Коэффициент стоячей волны (КСВ) показывает сколько мощности не излучается антенной.

Проходя по кабелю часть сигнала проходит в антенну и излучается ею, а другая часть отражается от антенны и возвращается обратно к передатчику. В результате возникает стоячая волна, которая не переносит энергию. Чем больше значение КСВ, тем меньше сигнала проходит в антенну.

Если кабель и антенна согласованы между собой, то КСВ равен 1, это идеальное значение, но на практике оно недостижимо.

Отбрасывая сложную теорию, рекомендуем выбирать антенну, у которой КСВ меньше 2-х, а ещё лучше 1,4 и менее.

Правила установки антенн

Соблюдайте рекомендации по установке антенны в документации производителя. Я приведу общие принципы.

• Место без преград

Лучше всего расположить антенну так, чтобы между ней и БС было поменьше преград, потому что здания или плотно посаженные деревья мешают прохождению сигнала от антенны к БС и обратно.
В зоне уверенного приема сигнала, когда нет необходимости поднимать антенну на большую высоту, ее можно закрепить на стене дома или на дымоходе. В противном случае, потребуется установить антенну на мачте – металлической трубе длинной до 30 метров.

• Металлическая поверхность

При установке на металлическую (проводящую) поверхность, например, на крышу автомобиля, коэффициент усиления антенны возрастает. Устанавливайте антенну в центр поверхности для обеспечения равномерности диаграммы направленности.

• Отсутствие экранируемого замкнутого пространства

Железные ящики экранируют распространение сигнала. Если терминальное устройство устанавливается в железный ящик, то вынесите антенну из этого ящика.

• Направление на базовую станцию

Направленная антенна должна быть направлена на базовую станцию.

Всенаправленная антенна не требует точной настройки, однако ее необходимо установить так, чтобы ее горизонтальная плоскость была бы направлена на базовую станцию.

• Расстояние до предметов

Недопустимо устанавливать посторонние предметы вблизи антенны.

Выдерживайте рекомендуемое изготовителем расстояние до металлических частей. Расстоянии между антенной и металлом должно быть не менее четверти длины волны сигнала. Чем меньше рабочая частота, тем больше это расстояние. Для GSM-900 расстояние должно быть не менее 8,3см.

Виды крепления антенн

В зависимости от места установки антенны существует несколько вариантов ее крепления. Виды крепления:

• На стену

Кронштейн на стену представляет собой стальной Г-образный штырь с креплением на несущую стену. Антенна крепится на свободный конец кронштейна с помощью собственного крепления. Обычно таким образом закрепляются и всенаправленные, и направленные антенны.

• На мачту

Мачта представляет собой стальной штырь. Антенна крепится на свободный конец штыря с помощью собственного крепления.
Для крепления самой мачты к стене понадобится кронштейн между мачтой и стеной, и пятка между мачтой и горизонтальной поверхностью (землей).

• Магнитное крепление

Крепление с магнитным основанием, на которое накручивается антенна. В основном магнитное крепление используют для установки на металлические поверхности, например, на банкоматы или автомобили.

• На клейкую ленту

В основном на клейкую ленту крепятся небольшие антенны, к их основанию прикреплен, по сути, двухсторонний скотч. Обычно такие антенны устанавливаются в автомобилях для обеспечения связи в салоне.

MIMO антенны

MIMO-антенны — это следующее поколение антенн. MIMO, это сокращение от «Multiple Input Multiple Output», что дословно переводится как «множественный вход множественный выход». Перевод аббревиатуры станет понятным из объяснения принципа работы MIMO антенны.

Отмечу, что для того, чтобы пользоваться MIMO антенной необходимо, чтобы базовая станция и ваше терминальное устройство поддерживали MIMO технологию.

Принцип работы MIMO антенны следующий:

Представим, что у нас есть антенна MIMO 2х2. Первая цифра в названии обозначает количество антенн на передающей стороне, вторая цифра – количество антенн на приемной стороне.

Представим, что на базовой станции тоже два приемо-передающих канала. Сигнал с базовой станции разделяется на два потока, каждый из этих потоков передается независимо друг от друга. Два этих потока принимаются двумя нашими антеннами и собираются в один терминальным устройством. Именно поэтому важно, чтобы и базовая станция, и устройство поддерживали технологию MIMO.

MIMO антенны разработаны для увеличения скорости передачи данных: сигнал передается на MIMO 2х2 антенну в 2 раза быстрее, чем он бы передавался на обычную антенну.

Также существуют технологии SIMO – одна антенна на передающей стороне, несколько на приемной, и MISO – несколько антенн на передающей стороне, одна на приемной. Эти технологии применяются в том случае, когда борьба идет не за скорость, а за дальность и качество приема сигнала.

MIMO-антенна может работать по трем технологиям (MIMO, SIMO, MISO) в зависимости от конкретных ситуаций. Если соотношение сигнал/шум позволяет увеличивать пропускную способность, то используется MIMO. Если абонент находится на краю соты, то важно обеспечить устойчивое соединение, тогда используется SIMO и/или MISO.

Поэтому здесь будет общий совет, если терминальное устройство позволяет подключить более одной антенны, то нужно этим пользоваться для повышения качества связи.

О репитере

Репитер (его также называют усилитель, бустер или ретранслятор) — устройство, которое усиливает сигнал. Он применяется тогда, когда терминальное устройство находится далеко от антенны и между ними тянется длинный кабель. Проходя по кабелю, сигнал постепенно затухает, соответственно, репитер принимает сигнал, усиливает его для компенсации возникших потерь и передает по кабелю дальше, к ретранслирующей антенне.

Репитер целесообразнее использовать, когда у вас несколько терминальных устройств, которым нужно предоставить связь. Теоретически репитер можно установить в любом месте: около одной из антенн или посередине пути проложенного кабеля. Если установить один репитер к внешней антенне, второй к внутренней, то на выходе удастся получить высокий уровень сигнала.

Такое подключение используется для сохранения высокого уровня сигнала. Высокий уровень сохраняется потому, что сигнал от внешней антенны усиливается первым репитером, затем он проходит по кабелю с некоторыми потерями и вновь усиливается вторым репитером. Таким образом внутренняя антенна раздает повторно усиленный сигнал.

Использовать два репитера дорого. Поэтому иногда приобретают один репитер и устанавливают его посередине коаксиального кабеля или около одной из антенн.

Если репитер установлен у внешней антенны, то он усиливает входящий сигнал. Усиленный сигнал будет постепенно затухать в кабеле, но не затухнет полностью, часть все же дойдет до внутренней антенны. Если репитер установлен посередине кабеля или у внутренней антенны, то он усилит уже затухающий сигнал.

В каких случаях пользуются репитером:

• В строениях большой площади, когда необходимо распространить сигнал в центральных его частях, докуда при обычном распространении сигнал не доходит.
• В многоэтажных зданиях, когда внешняя антенна расположена на крыше, а внутренние антенны на разных этажах.
• В цокольных помещениях, гаражах и подвалах, когда необходимо протянуть длинный кабель с улицы.
• В отдаленных от базовых станций зданиях, когда внешняя направленная антенна устанавливается максимально высоко (например, на мачте), а внутренняя антенна внутри здания.

Вместо заключения краткие рекомендации из опыта

1. Если антенна вашего устройства располагается в прямой видимости до базовой станции, уровень сигнала хороший и требования по скорости интернета ограничиваются 10-20Мбит/с, то достаточно применить самую простую всенаправленную антенну. Главное проверить, что в списке поддерживаемых частот присутствуют те, которые есть на этой ближайшей БС. Способ установки и ориентации антенны в пространстве особого влияния на скорость передачи данных не влияет.
2. Если базовая станция находится на расстоянии до 1км и в месте приема уровень сигнала, средний, то достаточно применения всенаправленной антенны с КУ от 5 дБи до 10 дБи. Антенну следует располагать вертикально, желательно в прямой видимости БС. На 4G-роутерах подключайте вторую антенну к входу AUX.
3. Если базовая станция находится на расстоянии свыше 1км, и в месте приема уровень сигнала низкий, то следует выбирать всенаправленную антенну с коэффициентом усиления от 7 дБи. Антенну следует располагать вертикально, установив на металлической поверхности. На 4G-роутерах подключайте вторую антенну к входу AUX.
4. Если БС находится на таком расстоянии, что телефон уже не может зарегистрироваться в сети оператора (по нужно технологии), при этом на пути к базовой станции нет зданий, гор и других значительных препятствий, то следует выбрать направленную антенну. Направленную антенну необходимо разместить как можно выше, направив в сторону базовой станции нужного оператора.
5. Если терминальное устройство располагается в подвале или в другом радионепрозрачном месте, но при этом есть возможность вывести антенну в зону уверенного приема, то нужно так и сделать. При этом следует выбирать Low Loss кабель (например, RG-58 RadioLab с низкими потерями), минимизируя его длину и количество соединений.
6. Если длина кабеля большая, то добиться устойчивой связи поможет только применение репитера.
7. Если антенну от терминального устройства невозможно установить близко к окнам здания, а телефон при этом регистрируется в сети, то достаточно применения всенаправленной антенны с коэффициентом от 3 дБи до 6 дБи. Антенну желательно располагать на металлической поверхности.
8. Если антенна располагается в прямой видимости до базовой станции, уровень сигнала хороший и есть потребность получения скорости передачи данных выше 20Мбит/с, то следует использовать MIMO-антенны, убедившись, что ваше терминальное устройство поддерживает эту технологию.

Примеры

Для квартиры или офиса выбирайте всенаправленную антенну.

Обратите внимание на следующие позиции:


Антенна для обеспечения сети 2G – iRZ AG11, Лидер-М, Антей 901, Антей 905

Антенна для обеспечения сети 3G – Лидер-М, Антей 909, Триада 996

Антенна для обеспечения сети 4G – Лидер-М, Триада 2696

Для коттеджа или загородного дома выбирайте направленную антенну.

Обратите внимание на следующие позиции:

Антенна для обеспечения сети 2G – Триада 935

Антенна для обеспечения сети 3G – Триада 2135

Антенна для обеспечения сети 4G – Триада 2635

Для подземного паркинга или подвала выбирайте направленную или всенаправленную антенну и выводите ее наружу

Обратите внимание на следующие позиции:

Всенаправленные антенны

Антенна для обеспечения сети 2G – iRZ AG11, Антей 901, Антей 905

Антенна для обеспечения сети 3G – Антей 909, Триада 996

Антенна для обеспечения сети 4G – Триада 2696, Лидер-М

Направленные антенны

Антенна для обеспечения сети 2G – Триада 935, Триада 2135

Антенна для обеспечения сети 3G – Триада 2135, Триада 2635

Антенна для обеспечения сети 4G – Триада 2635

Для наземного транспорта выбирайте всенаправленную антенну на магните или накладного типа.

Всенаправленная антенна принимает сигнал от всех ближайших к ней базовых станций, поэтому при движении терминальное устройство будет переключаться между базовыми станциями, обеспечивая бесперебойный сигнал. По мере отдаления от всех базовых станций разом, сигнал будет ухудшаться.

Обратите внимание на следующие позиции:

Антенна для обеспечения сети 2G – Триада MA-997 SOTA

Антенна для обеспечения сети 3G – Триада MA-997 SOTA

Антенна для обеспечения сети 4G – Триада MA-997 SOTA