Самодельная логопериодическая антенна для GSM модема. Изготовление и подключение

Мы живем на краю маленькой деревни. Столкнувшись с необходимостью интернета дома, стали изучать, что в этом смысле предлагает современная инфраструктура.

Оказалось, что самым доступным и простым способом подключиться к всемирной паутине, является GSM модем, недорогие варианты которого, частенько обзывают USB-свистком. Такой модем недорого стоит, широко распространён и неплохо работает, но, только в зоне уверенного приёма сигнала, базовой станции сети сотовой связи. В городе – будьте любезны, а вне его, сильно зависит от того насколько развита мобильная сеть. Часто для модема требуется хорошая внешняя антенна поднятая на некоторую высоту. Модели устройств с разъемами для подключения внешней антенны, считаются неким, профессиональным связным устройством и стоят раз в десять дороже.

Для работы понадобится минимальный набор радиомонтажного и слесарного инструмента, толика терпения. Для работы с мелочью очень полезны специальный козырёк с увеличительными стеклами или лампа с ними же. Позаботьтесь о хорошем освещении.

Однако и в простом «USB свистке» внутри корпуса есть технологический разъем для антенны и можно задействовать его. В некоторых модемах есть доступ к антенному разъему, в некоторых нет, в последнем случае придется дорабатывать пластиковый корпус, соответственно аннулируется гарантия устройства. Антенный разъем бюджетного модема весьма хлипок по конструкции и установлен прямо на печатной плате методом поверхностного монтажа. То есть держится только за пайки.

К нему следует подключать только достаточно тонкий (гибкий) коаксиальный кабель, иначе высока вероятность толстым и жестким кабелем сломать разъем. Тонкие же кабели обладают повышенными потерями на ВЧ и не следует применять их для всего фидера. В принципе, существуют переходники – разъем модема - 15…20см тонкого кабеля – разъем побольше для подключения снижения хорошим кабелем внешней антенны. Такой переходник позволяет решить проблему механической нагрузки на слабый разъем, но мы оказываемся привязаны к специфическому разъему на выходе переходника, что в случае самодельной антенны неразумно, к тому же, в продаже такие переходники встречаются крайне редко. Стоит помнить и о том, что каждый дополнительный разъем, даже каждая пайка на кабеле, вносит затухание на ВЧ.

Мой вариант соединения – в магазине подобрался довольно гибкий телевизионный кабель – без экрана из фольги, центральная жила медная (хорошо паяется) и многожильная (гибкая). Подключение выглядело вот так.

К центральной жиле припаян отрезок медного толстого луженого провода (ножка резистора). Толщина его такова, что он плотно заходит в гнездо. Место разделки изолировано термотрубкой.

Штырек вставлен до упора в разъем и скрученная и луженная оплетка кабеля припаяна к «земле» антенного гнезда.

Место пайки изолировано, а главное – тонкое место на кабеле усилено несколькими слоями термотрубки. Теперь остается примерить и при необходимости подпилить пластиковый корпус, чтоб закрывался как положено, с нашей доработкой. Обращаться придется осторожно.

Все, модем подключен.

Переходим к расчету и изготовлению антенны.

Тип антенны, выбран «логопериодическая», принятая зарубежная аббревиатура – LPA-антенна. Ее особенности – высокий коэффициент усиления и весьма узкая (острая) диаграмма направленности. Кроме того, при достаточно аккуратном изготовлении, антенна не потребует настройки, которую невозможно осуществить без специализированных ВЧ измерительных приборов.

Рассчитать нашу антенну можно в одном из сетевых сервисов, найдя его по ключевым словам, либо в специальной программе, например Logo_Periodic_Calculate ее можно найти здесь.

Подготавливаем необходимые материалы и инструменты. На первом этапе нам необходимо вырезать две полоски из одностороннего фольгированного стеклотекстолита шириной 10мм, толщиной 1,5-2мм, и длинной - согласно расчетов. Нам также понадобятся обрезки "голого" медного провода диаметром 1,5-2,5мм, который можно извлечь скажем из кабеля для внутренней электропроводки. Ну и соответственно, паяльник, канифоль, линейка и кусачки.

Нарезаем элементы одинакового размера, на 5-10мм больше самого длинного вибратора, ссылаясь на произведенные расчеты. Размечаем расположение элементов антенны на импровизированном "буме". Далее аккуратно припаиваем их, не перегревая подложку, и кусачками доводим до необходимых размеров. Следует помнить, что мы имеем дело с ВЧ с его скин-эффектом (распространение токов в тонком поверхностном слое), в этом смысле, не следует допускать «холодных паек» и сильно поцарапанных поверхностей. Хороший тон – применение специального флюса с глицерином для получения зеркальной поверхности паек.

Теперь, нужно готовые «бумы» жестко закрепить друг напротив друга на расчетном расстоянии и замкнуть перемычкой задние части. К передним концам подключается коаксиальный кабель – к одному концу центральная жила, ко второму экранирующая оплетка.

Моё исполнение антенны – на полипропиленовой трубе. Подходящий кусок трубы был опилен на циркулярной пиле для получения плоских площадок, удобных для крепления половин «бума». Они крепились при помощи липкой ленты. Сзади антенны место для модема – первоначально было решено максимально укоротить антенный кабель, модем расположить около антенны и снижение выполнять уже «цифровым». Пластиковая труба взята несколько большей длинны, для получения удобной диэлектрической «ручки».

Другой ракурс антенны, видны посадочные места половинок бума, подключение кабеля. Рекомендую познакомиться с несколько другой, возможно, более удачной конструкцией антенны.

Готовая антенна для проверки работоспособности была вынесена на улицу и закреплена на конце длинной лестницы проволокой.

Из-за неудобства ориентирования, пришлось изготовить поворотный узел. Немного слесарных работ, обрезки нержавеющей стали, сварочные работы.


Поворотный узел вышел несколько громоздким, но в отличии от аналогичного узла спутниковой тарелки позволяет ориентировать антенну значительно более точно.

Узел поворота приварен к пластине крепления под углом чуть более 90 градусов (чтоб стекала вода). Во время работы закончились нержавеющие электроды, пришлось использовать обычные – отсюда покрашенные сварочные швы. На фото выше, узел, отработавший на крыше в разных местах, с разными антеннами, около двух лет и в целом показавший себя надежным и удобным.

На фото антенна с USB модемом установлена на фронтоне крыши. Углы поворота позволяют ориентировать антенну на вышку сотовой связи в соседней деревне (~5км).

В герметичной коробке рядом с антенной, модем и блок питания модема. В целом вся схема соединений выглядит так.

Проблема длинных USB соединений – в падении напряжения питания на длинных и относительно тонких проводах питания (принцип работы устройства через порт USB – в том числе и питание устройства от самого порта). В разумных пределах удлинить USB кабель, можно двумя способами – увеличить сечение (уменьшить сопротивление) проводников питания или питать устройство от своего близко расположенного блока питания. Цель обоих способов – чтобы на нашем устройстве напряжение питания было возможно более близко к пяти вольтам. Плюс.

Увеличение сечения питающих проводов уже было опробовано при пробных включениях антенны «на лестнице». Соединение и выход в сеть были, но работали не стабильно – периодически обрывались.

Для размещения антенны с узлом поворота было выбрано другое место – фронтон крыши дома. Расстояние до него несколько больше и было решено блок питания разместить «наверху» - около модема, убрав возможную причину сбоев. «Длинное» соединение по USB было выполнено из двух нетолстых коаксиальных кабелей (центральные жилы - две линии передачи данных, экраны на общий провод).

Что получилось – размещение на фронтоне крыши (доступ с плоской крыши дровника по короткой лестнице) и общая конфигурация оборудования, позволила, в последствии, удобно экспериментировать с разными типами антенн. На тот момент удалось относительно стабильно подключаться к сети GSM (2G), иногда WCDMA (3G). Сама антенна показала себя хорошо. Некоторая кропотливость изготовления (много точных размеров), окупается отсутствием настройки и большим усилением. Антенна к тому же имеет низкую парусность и мало привлекательна для птиц.

Забегая вперед. Причиной нестабильной работы модема, все же оказался именно длинный кабель USB, не смотря на благополучие с питанием устройства. Возможно, дело было в типе или даже экземпляре модема, потому как в сети попадаются описания подобных «удлинителей» и большего метража.

Изготовление и испытания еще двух типов антенн, будут описаны отдельно.