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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Externe Antenne für GSM-Handy. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Telefonie Die Reichweite eines Mobiltelefons kann erhöht werden, indem es mit einer externen Fernrichtantenne ausgestattet wird. Wie Sie eine solche Antenne selbst herstellen, wird in diesem Artikel beschrieben. Die Antenne kann erfolgreich in der Datscha, in einem abgelegenen Landhaus und aufgrund ihrer geringen Größe sogar unter Feldbedingungen eingesetzt werden. Immer mehr neue Handynutzer sind aus eigener Erfahrung von den Vorteilen der Mobilfunkkommunikation überzeugt. Die Möglichkeit, den gewünschten Teilnehmer jederzeit und von fast überall aus telefonisch zu kontaktieren, macht diese Art der Kommunikation vielleicht zur beliebtesten und attraktivsten. Doch neben den zahlreichen und unbestreitbaren Vorteilen der Mobilfunktelefonie gibt es wie bei jedem technischen Mittel auch einige Nachteile. Erinnern wir uns daran, dass wir für jede Gesprächssekunde bezahlen müssen. Darüber hinaus ist die Mobilfunkkommunikation durch Phänomene wie das Vorhandensein „toter“ Zonen und eine Verschlechterung der Kommunikationsqualität in erheblicher Entfernung von der Antenne der nächstgelegenen Basisstation gekennzeichnet. Viele Handynutzer kennen wahrscheinlich die Situation, wenn sie lange nach einem Ort suchen müssen, an dem das Gerät eine stabile Verbindung zum Netzwerk aufbauen kann. Darüber hinaus treten solche Situationen nicht nur weit entfernt von der Antenne der Netzwerk-Basisstation auf (was typisch für abgelegene Orte, beispielsweise auf einem Gartengrundstück), sondern auch in der Stadt, wo das Signal der Basisstation durch Gebäude abgeschirmt werden kann, Elemente von Gebäudestrukturen usw. In diesen Fällen kann eine externe Antenne, die an ein Mobiltelefon angeschlossen wird, Abhilfe schaffen. Dies schränkt natürlich die Mobilität des Teilnehmers ein und „bindet“ ihn an diese Antenne, aber diese Einschränkung ist möglicherweise kein so hoher Preis für eine qualitativ hochwertige Kommunikation. Bei der Entwicklung einer stationären Außenantenne für ein Mobiltelefon wurde ein Zickzack-Antennendesign gewählt [1, 2], das in der professionellen Kommunikation weit verbreitet ist und bei Funkamateuren und Fernsehzuschauern beliebt ist. Antennen dieser Art im Frequenzbereich der Mobilfunktelefonie ermöglichen eine gute Leistung bei kleinen Abmessungen, sind recht einfach herzustellen und zu konfigurieren und weisen eine gute Wiederholbarkeit der Parameter bei der Herstellung auf. Die Zick-Zack-Antenne besteht aus acht geschlossenen Leitern der Länge L, die zwei rautenförmige Zellen bilden (siehe Abbildung). Die Antenne ist so aufgebaut, dass ihre an den Punkten a und b angeregten Leiter eine Art gleichphasiges Antennenarray aus vier Vibratoren bilden. Die Bäuche (Maxima) des Stroms befinden sich an den Einspeisepunkten und in den mit den Buchstaben P gekennzeichneten Ecken. Die Antenne hat eine lineare Polarisation, im in der Abbildung gezeigten Fall eine vertikale. Das Strahlungsdiagramm der Antenne bleibt im Frequenzbereich mit einer Überlappung von fmax/fmin = 2...2,5 erhalten. Die Richtcharakteristik der Antenne ist symmetrisch zur Ebene ihrer Leiter. Um die Richtwirkung einer Zick-Zack-Antenne zu erhöhen, wird ein Reflektor verwendet, der einen Teil der auf ihn einfallenden Energie in Richtung des Antennenstegs reflektiert. Die Phase des vom Reflektor in der Ebene des Antennengewebes reflektierten Feldes sollte nahe an der Phase des vom Gewebe selbst emittierten Feldes liegen, dann erhöht die Addition der gleichphasigen Felder der emittierten und reflektierten Signale den Richtkoeffizienten (DA) der Antenne. Die Phase des reflektierten Feldes hängt von der Form und Größe des Bildschirms ab, vor allem aber vom Abstand zwischen ihm und der Antennenoberfläche. Der Mobilfunkstandard GSM sieht den Betrieb von Kommunikationssystemen in den Frequenzbereichen 890...960 MHz für GSM-900 und 1710...1880 MHz für GSM-1800 vor [3, S. 102], und ein Vorwärtskanal ist auf den Frequenzen 935...960 MHz und 1805...1880 MHz organisiert, und ein Rückkanal ist auf den Frequenzen 890...915 MHz und 1710...1785 MHz organisiert. Im Frequenzbereich 890...960 MHz hat die Antenne einen Wanderwellenkoeffizienten (TWC) von nicht schlechter als 0,77 und einen Gewinn von nicht schlechter als 7 dB im Vergleich zu einem Halbwellendipol. Im Frequenzbereich 1710...1880 MHz ist der Antennen-BEF nicht schlechter als 0,5 und der Wirkungsgrad nicht schlechter als 6 dB. Der Aufbau der Antenne geht aus der Figur hervor.
Der wichtigste berechnete Parameter L bestimmt die Betriebsfrequenz der Antenne. Bei einer Zick-Zack-Antenne hängt der Richtwirkungskoeffizient vom L/λ-Verhältnis ab, wobei die Richtwirkung bei L/λ - 0,4 maximal ist. Der maximale BEF - 0,8 wird bei L/λ - 0,3 erreicht, und bei Verhältnissen L/λ = 0,25...0,5 beträgt der BEF mindestens 0,5. Daher wurde für die mittlere Frequenz des Antennenbetriebsbereichs der Wert L = 80 mm gewählt, mit L/λ - 0,37. Zusätzlich zu L beeinflussen die Breite der Antennenvibratoren d und der Abstand vom Antennensteg zum Reflektor die Größe des BEF. Normalerweise wird empfohlen, d = 0,033λmax zu wählen, wobei λmax die maximale Wellenlänge des Antennenbetriebsbereichs ist. In unserem Fall d = 10 mm. Unter dem Gesichtspunkt der Erhöhung der Antenneneffizienz ist es wünschenswert, den Abstand zum Reflektor zu verringern und unter dem Gesichtspunkt der Anpassung zu vergrößern. In dieser Ausführung beträgt er 45 mm, was die oben genannten Antenneneigenschaften gewährleistet. Antennenfolie 1 und Reflektor 2 bestehen aus einseitig folienbeschichtetem Glasfaserlaminat der Marke SF-1 mit einer Dicke von 1...1.5 mm. Das Antennenblatt besteht aus zwei symmetrischen quadratischen Zellen, die von außen entlang der Kontur der Antenne aus Glasfaserfolie geschnitten werden. Die Innenkontur der Zick-Zack-Antenne wird mit einem Cutter von der Folienseite her angeritzt, anschließend wird die Folie von der Innenseite der Antennenkontur entfernt. Um das Entfernen der Folie zu erleichtern, können Sie diese mit einem leistungsstarken Lötkolben vorwärmen. Bei Bedarf können Sie auch den größten Teil des Dielektrikums im Antennenkreis entfernen. An Stellen nahe der Oberseite der Antennengewebezellen werden Löcher für die M4- oder M2-Schraube gebohrt. Die gleichen Löcher werden in Reflektor 1 (Schirm) gebohrt. Antennenblech 2 auf der einen Seite und Reflektor 3 auf der anderen Seite werden mit 2,4 Schrauben an den Pfosten verschraubt. Die Gestelle bestehen aus jedem dielektrischen Material (Fluorkunststoff, Getinax, Plexiglas usw.), Metallgestelle sind ebenfalls lieferbar. Im Inneren werden auf jeder Seite Löcher mit einem Durchmesser von 3,2 oder 10 mm bis zu einer Tiefe von ca. 4 mm für Schrauben mit M50- oder MXNUMX-Gewinde gebohrt. Die Stromversorgung der Antenne erfolgt über ein Koaxialkabel mit einem Wellenwiderstand von XNUMX Ohm. Der vom Abschirmgeflecht befreite Mittelleiter des Kabels wird an Punkt b und das Geflecht (Schirm) an Punkt a angelötet. Das Kabel wird entlang der Vibratoren verlegt, die eine der Seiten der Antennenzelle bilden, und durch den Nullpotentialpunkt des Antennengewebes P herausgeführt. Zur Befestigung des Kabels kann es mit verzinntem Draht an den Antennenvibrator angelötet werden. Anschließend wird das Kabel am Ständer befestigt und durch das Loch im Antennenschirm geführt. Am Ende der Zuleitung ist ein FME 740-Stecker angelötet, an den ein Adapter (Antennenadapter, im Handyhandel erhältlich) für den externen Antennenanschluss eines Handys angeschraubt wird. Es ist zu beachten, dass der Wert des BVC stark von der Art des verwendeten Koaxialkabels abhängt. Je dünner das Kabel ist, desto größer ist normalerweise die Dämpfung, was die Leistung der Antenne beeinträchtigt. Gleichzeitig behindert ein dünnes Kabel beim Anschluss an ein Telefongerät die Bewegungen des Teilnehmers weniger; ein solches Kabel lässt sich bequemer an einen Antennenadapter anschließen. Im Allgemeinen gilt: Wenn der Abstand zwischen dem Punkt, an dem die Antenne eine akzeptable Signalqualität liefert, und dem Standort des Telefons nicht mehr als 2 bis 4 m beträgt (wenn sich die Antenne beispielsweise in Innenräumen in der Nähe eines Fensters befindet), ist dies möglich Verwenden Sie ein dünneres Kabel mit Polyethylen-Dielektrikum (z. B. RK 50-1,5-11). Wenn die Antenne über eine größere Entfernung bewegt werden muss, um ein akzeptables Signal zu gewährleisten, werden die Anforderungen an die Zuleitung strenger. Die Kabel RK 50-2-21 und RK 50-2-2 haben für diesen Fall gute Eigenschaften. Bei der beschriebenen Konstruktion wurde als Zuleitung ein Hochfrequenz-Koaxialkabel RK 2,5-50-2 mit einer Länge von 21 m und einem Dämpfungskoeffizienten bei einer Frequenz von 900 MHz von nicht mehr als 0,6 dB/m bei einer Frequenz von 2 GHz verwendet - 0,8 dB/m. Wenn Sie planen, die Antenne im Freien zu verwenden, kann der Reflektor in Form eines Gitters aus Metallstäben oder -rohren hergestellt werden, die in einem Abstand von 0,05 λmin voneinander angeordnet sind, um den Luftwiderstand der Struktur zu verringern. Dabei ist λmin die minimale Wellenlänge des Betriebsfrequenzbereichs. Die Reflektorelemente sind parallel zur Linie a-b, also in der Polarisationsebene, ausgerichtet. Zur Erdung der Antenne werden die Punkte P-P des Antennenblechs mit Metallständern mit dem Schirm verbunden und der Schirm selbst sicher an der Erdungsschiene (Mast, Stütze) befestigt. Im Inneren des Antennenblechs wird das Glasfaserlaminat entfernt, von der Folie befreit und die Elemente der Antennenblechvibratoren werden mit einer Korrosionsschutzbeschichtung mit geringen dielektrischen Verlusten geschützt. Während des Tests ermöglichte die Antenne eine Erhöhung des Signals von zwei Abstufungen der Anzeigeskala des Mobiltelefons Motorola M3788 auf vier, was eine qualitativ hochwertige Telefonkommunikation gewährleistete. Sollte der resultierende Antennengewinn nicht ausreichen, kann er durch den Aufbau eines Antennenarrays, beispielsweise aus zwei oder vier Zickzackantennen, oder durch die Verwendung eines Reflektors vom Typ „Trunkated“ Horn [2, S. 77]. Diese Lösungen erschweren jedoch die Herstellung und Konfiguration der Antenne erheblich und wurden daher vom Autor nicht getestet. Daten zu Frequenzen und Wellenlängen verschiedener Mobilfunkstandards sind in der Tabelle aufgeführt. Mit ihnen und der Neuberechnung der linearen Abmessungen können Sie ähnliche Antennen für andere Bänder entwerfen.
Literatur
Autor: V.Vasilevsky, Dzerzhinsky, Gebiet Moskau.
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02.05.2024 Fortschrittliches Infrarot-Mikroskop
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