ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9119| Title: | Розробка ребристо-стержневої антени з технологією МІМО для підсилення сигналу стандарту LTE |
| Authors: | Чорній, Андрій Михайлович Приймак, Катерина Сергіївна |
| Keywords: | мобільний пристрій;LTE;мобільна мережа;антена;підсилення сигналу;ребриста антена |
| Issue Date: | 2021 |
| Abstract: | Робота присвячена розробці ребристо-стержневої антени з технологією МІМО для підвищення слабкого сигналу LTE в місцях з не якісною, або не достатньо якісною мережею. Розроблена антена є альтернативним варіантом складової систем підсилення слабкого сигналу, що є економічно вигідною та конкурентноспроможною. РС антена реалізована для зовнішнього застосування, показники антени напряму залежать від її місця розташування в залежності від базової станції та обраного оператора мобільного зв’язку |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9119 |
| Appears in Collections: | 172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| М_172_ТК_Приймак_Чорній.pdf Restricted Access | 2.73 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
(повне найменування вищого навчального закладу)
факультет електронних технологій і робототехніки
(назва факультету)
кафедра робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки
(повна назва кафедри)
ДО ЗАХИСТУ ДОПУЩЕНО
завідувач кафедри РТСК
д.т.н., професор Палагін В.В.
_______________________
“____” _________________2021 року
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
магістр
(освітній рівень)
на тему: “ Розробка ребристо-стержневої антени з технологією
МІМО для підсилення слабкого сигналу LTE”
Виконала: студентка ІІ курсу, групи ТК-006
спеціальності
172 «Телекомунікації та радіотехніка»
(шифр і назва спеціальності)
освітньо-професійна програма
«Телекомунікації»
(назва ОПП)
Приймак К.С.
(прізвище та ініціали)
Керівник: Чорній А.М.
(прізвище та ініціали)
Рецензент: Лях І.М.
(прізвище та ініціали)
Черкаси 2021 рік
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
( повне найменування вищого навчального закладу )
Факультет факультет електронних технологій і робототехніки
Кафедра кафедра телекомунікаційних і робототехнічних систем та кібербезпеки
Освітній рівень магістр
Освітньо-професійна програма «Телекомунікації»
(шифр і назва)
Спеціальність 172 «Телекомунікації та радіотехніка»
(шифр і назва)
ДО ЗАХИСТУ ДОПУЩЕНО
завідувач кафедри РТСК
д.т.н., професор Палагін В.В.
_______________________
“____” _________________2021 року
З А В Д А Н Н Я
НА ДИПЛОМНУ (ПРОЕКТ) СТУДЕНТУ
Приймак Катерині Станіславівні
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема проекту: «Розробка ребристо стержневої антени з технологією МІМО для
підсилення слабкого сигналу LTE»
керівник проекту (роботи) Чорній Андрій Михайлович, к.т.н., доцент
( прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом вищого навчального закладу від “21” 09 2021 року № 289-1/01
112. Строк подання студентом проекту: 01.12.2021 р.
3. Вихідні дані до проекту: огляд основних стандартів мобільного зв’язку;
впровадження технології МІМО в системах зв’язку; огляд основних типів антен, що
використовуються у мобільному зв’язку.
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно
розробити) огляд стандартів мобільного зв’язку; застосування технології МІМО в
сучасних системах зв’язку; огляд основних типів антени, що використовуються у
мобільному зв’язку; розробка ребристо-стержневої антени з технологією МІМО, для
підсилення слабкого сигналу LTE
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
1.Розрахунок параметрів ребристо-стержневої антени для підсилення слабкого
сигналу LTE; 2. моделювання антени в програмі SOLIDWORKS; 3. Визначення місця
розташування ребристо-стержневої антени для найбільш ефективного підсилення
слабкого сигналу; 4.розрахунок критичного просвіту без урахування рефракції
радіохвиль; 5. розрахунок ККД тракту антенного фідера; 6. порівняльна
характеристика сигналу.
6. Консультанти розділів проекту (роботи)
Підпис, дата
Прізвище, ініціали та посада
Розділ завдання видав завдання
консультанта
прийняв
7. Дата видачі завдання 01.12.2021 р.
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Назва етапів дипломного Строк виконання етапів Примітка
з/п проекту (роботи) проекту
( роботи )
1. Пошук необхідної літератури
2. Аналіз знайденого матеріалу, вибір необхідного
для подальшого написання роботи
3. Огляд стандартів мобільного зв’язку
4. Огляд основних типів антен що використовуються
в МЗ
5. Принцип застосування технології МІМО в
сучасних системах зв’язку
6. Розробка ребристо-стержневої антени
7. Розрахунок висоти підвісу РС антени
8. Оформлення пояснювальної записки
9. Оформлення графічного матеріалу
Студент Приймак К.С.
( підпис ) (прізвище та ініціали)
Керівник проекту (роботи) Чорній А.М.
( підпис ) (прізвище та ініціали)
ЗМІСТ
ВСТУП……………………………………………………………………...…….5
1. ОСНОВНІ СТАНДАРТИ МОБІЛЬНОГО ЗВ’ЯЗКУ……………………..…7
1.1. Стандарти мобільного зв’язку в Україні…………………………….7
1.2. LTE в умовах неякісного мобільного зв’язку………………………10
1.3. Огляд існуючих засобів підвищення слабкого сигналу LTE………14
2. ЗАСТОСУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ МІМО У СУЧАСНИХ СИСТЕМАХ
ЗВ’ЯЗКУ……………………………………………………………………...16
2.1. Технологія МІМО в системах зв’язку………………………………16
2.2. Впровадження технології МІМО при створенні ребристо-
стержневої антени для підсилення сигналу LTE………………………………18
3. ОГЛЯД ОСНОВНИХ ТИПІВ АНТЕН, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ У
МОБІЛЬНОМУ ЗВ’ЯЗКУ………………………………………………...…21
3.1. Антени, які використовуються у мобільному зв’язку……………..21
3.2. Ребристо-стержнева антена як основний елемент системи
підсилення слабкого сигналу…………………………………………………...27
4. РОЗРОБКА РЕБРИСТО-СТЕРЖНЕВОЇ АНТЕНИ З ТЕХНОЛОГІЄЮ
МІМО ДЛЯ ПІДСИЛЕННЯ СЛАБКОГО СИГНАЛУ LTE……………….30
4.1. Розрахунок параметрів та моделювання антени в програмі
SOLIDWORKS…………………………………………………………………..30
4.2. Отримання показникі ребристо-стержневої антени для підсилення
слабкого сигналу LTE в середовищі програми Ansys HFSS………………….39
4.3. Визначення місця розташування ребристо-стержневої антени для
найбільш ефективного підсилення слабкого сигналу…………………………50
4.4. Практичне конструювання та підключення антени………………..60
4.5. Порівняльна характеристика сигналу при використанні ребристо-
стержневої антени та без її використання………….………………….……….62
ВИСНОВОК …………………………………………………………………..……66
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ……………………………………..……68
ТК006.021140.248 ПЗ
Зм Арк. № докум. Підпис Дата
Р.о зроб. Приймак Розробка ребристо-стержневої Літера Аркуш Аркушів
Керівни КЧ.оСр. ній 3 70
Реценз антени з технологією МІМО для
к
А.М.
Н.- ЧДТУ, ТК-006
підсилення слабкого сигналу
кЗоатнвтерр. д
LTE
23.03.2026
Перелік умовних позначень, символів та скорочень
ПД – передача даних
СЗ – системи зв’язку
МС – мобільна станція
МЗ – мобільний зв’язок
СР – ситеми радіозв’язку
БС – базова станція
ПМ – приймач
ПД – передавач
РЧ – робоча частота
НП – населений пункт
МІ – мобільний інтернет
АА – Абонентська антена
РС – ребристо стержнева
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 4
23.03.2026
ВСТУП
В сучасних передумовах мати вільний доступ до мережі інтернет досить
важливо, оскільки інтернет є глобальною інформаційною мережею і доступ до
неї дає можливість взаємодії зі світом.
В 2020-х роках, доступ до інтернету став ще більш затребуваним, проблема
доступу до мережі інтернет стала явною в умовах карантину, коли більшість
навчальних закладів та державних установ було переведено на дистанційну
форму роботи. Україна невеликими кроками прямує до електронної системи в
різних сферах діяльності. Проект має назву – «Електронна Україна», головна
мета цього проекту полягає у сприянні розвитку та впровадженню політик та
сервісів електронного урядування, його застосування в різних галузях
господарства, науки та освіти в Україні, крім цього систематизація сфери
інформаційних технологій та розвиток інформаційного суспільства. Проте
доцільно зауважити, що запроваджуючи цю систему держава не врахувала той
факт, що досить велика частина населення не має вільного доступу до мережі
інтернет.
30 липня 2021 року в міністерстві Цифрової трансформації України
відбувся брифінг на тему: “Результати першого в Україні дослідження наявності
доступу населення до високошвидкісного інтернету”. За результатами брифінгу
стало відомо, що в Україні понад 5 мільйонів громадян не мають доступу до
високошвидкісного інтернету, станом на сьогодні 4.2 млн людей проживають в
населених пунктах, в яких немає жодного провайдера, зважаючи на реалії можна
стверджувати, що ця цифра значно вища представленої. В основному, складнощі
з вільним доступом до мережі інтернет мають жителі селищ та віддалених від
міст населених пунктів, в містах ситуація значно краща проте 2% населення міст
також мають проблеми з доступом до мережі. Виходячи з кількісті населених
пунктів і середньої вартості підключення, була визначена сума затрат на
реалізацію проекту, що становить майже 5,5 млрд грн. Із них - 3,3 млрд. грн.
необхідно виділити для підключення самого каналу до об'єктів і понад 2 млрд
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 5
23.03.2026
грн. - для побудови якісної локальної мережі [2]. І поки в міністерстві Цифрової
трансформації України шукають можливості та кошти на реалізацію проекту,
люди купують дороговартісні системи, що дадуть можливість стати
повноцінними користувачами мережі інтернет.
Метою дипломної роботи є розробки ребристо-стержневої антени з
технологією МІМО для підвищення слабкого сигналу LTE в місцях з не якісною,
або не достатньо якісною мережею. Розроблена нами антена є альтернативним
варіантом складової систем підсилення слабкого сигналу, що є економічно
вигідною та конкурентноспроможною. РС антена реалізована для зовнішнього
застосування, показники антени напряму залежать від її місця розташування в
залежності від базової станції та обраного оператора мобільного зв’язку.
Актуальність теми обгрунтована важливістю питання підсилення
слабкого сигналу LTE, що з розвитком і зміною стандартів мобільного зв’язку
(МЗ) залишається актуальним напрямком діяльності та потребує постійного
дослідження та вдосконалення. Особливо актуальним це питання є в місцях де
користуватися послугами 4G і в окремих випадках 3G неможливо через
віддаленість від зони покриття МС.
Новизна теми полягає в тому, що в нинішніх передумавах існує
необхідність створення та удосконалення систем та елементів систем підсилення
слабкого сигналу LTE, що надасть можливість отримати доступ до мережі в
місцях з не якісним сигналом.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 6
23.03.2026
РОЗДІЛ 1. ОСНОВНІ СТАНДАРТИ МОБІЛЬНОГО ЗВ’ЯЗКУ
1.1. Стандарти мобільного зв’язку в Україні
Мобільний зв’язок на території нашої країни з’явився в 1993 році. Першу
мобільну мережу стандарту NMT запустила в експлуатацію компанія UMC
(нинішня назва Vodafone). Мережа NMT відноситься до стандартів 1G і
характеризувалась слабкою захищеністю від перешкод. Абонента мережі
першого покоління можливо було прослухати навіть за допомогою звичайного
радіоприймача, а абонентські термінали мали значну вагу в декілька кілограмів
та встановлювались здебільшого в автомобілях. На той час мати такий зв’язок
було досить дорогим задоволенням, оскільки самі телефони були доступні лише
забезпеченим верствам населення, а абонентська плата щомісячно складала
кілька сотень умовних одиниць. Стандарт 1G на теренах України проіснував до
2000 року.
2G GSM-стандарт запроваджено в Україні в 1996 році, цей стандарт
запустила в експлуатацію компанія «Голден-телеком». Основною
характеристикою мережі другого покоління став перехід на цілком цифровий
зв’язок, в порівнянні з першим поколінням 2G уже мав хоч і примітивну проте
яку не яку систему захисту від перешкод та прослуховування. В новинку було і
те, що стандарт дозволяв записувати та відправляти голосові повідомлення,
обмінюватись мультимедіа та SMS, а також надавав можливість доступу до
мережі Інтернет. В зв’язку з ростом потреб абонентів GSM не зважаючи на
модифікації технології з метою збільшення швидкості передачі даних та
поліпшення послуг на початку 2000-х мережа була витіснена третім поколінням.
3G (UMTS) вперше запрацювала в 2007 році, першим оператором мережі
третього покоління стала компанія Укртелеком. UMTS стала новим стандартом
зв’язку, що в порівнянні з попередниками надавала такі можливості як: онлайн
телебачення, відео зв’язок і можливість отримати високу швидкість передачі
даних при доступі до інтернету. UMTS була реалізована в таких діапазонах
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 7
23.03.2026
частот як 850/1700/1900/2100 МГц. Стандарт UMTS за період експлуатації
постійно удосконалювався і впроваджував нові технології такі як HSDPA,
HSUPA, що давали можливість підвищити швидкість передачі даних та
швидкість вихідного потоку в десятки разів.
В 2017 році Україна стала користувачем стандарту четвертого покоління
4G LTE. Цей стандарт було започатковано ще в 2000-х роках, а його масове
введення на території Європи розпочалося з 2010 року, наша країна володіла
ліцензіями на впровадження стандарту ще у 2011 проте до 2017 жодної LTE-
мережі не було збудовано.
4G LTE – 4-те покоління мобільного радіозв'язку. 4G від попередників
відрізняється швидкістю передачі даних, яка в порівнянні з 3G перевищує
показники в 200-500 разів, мережі 4-го покоління відмовились від використання
каналів для передачі голосу, натомість працюють виключно з цифровими
даними, телефонія переходить у формат VoIP, в подальшому це може привести
до зникнення класичного комутування каналів зв'язку на користь інтернет-
телефонії.
VoIP – протокол передачі голосу по мережі інтернет, загалом це технологія
яка дозволяє передавати будь який мультимедійний контент по мережі IP. Цей
метод використовується для прийому аналогових аудіо сигналів і перетворення їх
в цифрові дані, які можуть передаватись мережею. Відправлені дані можуть бути в
будь якій формі: зображення; факс; мультимедіа; фали. Найчастіше VoIP
використовується для майже безкоштовних телефонних дзвінків, які напряму
залежать від наявності інтернету. Для свого функціонування VoIP використовую
кодеки для інкапсуляції даних. Протокол надсилає повідомлення і згодом видаляє
пакет з інкапсуляції перетворюючи їх в звук на іншому кінці з’єднання. Цей процес
не включає в себе використання мереж комутації для передачі голосу. VoIP – є
економічно вигідним оскільки мінімізує затрати на мережеву інфраструктуру,
дозволяючи передачу даних по широкополосним мережам користувачів. Оскільки
VoIP працює через ІР мережу, дані користувачів будуть зберігатись в хмарі
налаштування якої доступні через ідентифікаційну панель.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 8
23.03.2026
На сьогодні LTE являється еволюцією технології UMTS та є стандартом
високошвидкісного бездротового зв'язку передачі і прийому даних, який
розроблений групою 3GPP визначеного специфікаціями у Релізі 8 від 2008 року
(3GPP Release 8) та доповненого у Релізі 9 від 2009 року (3GPP Release 9).
Формально LTE відноситься до стандарту 4G, проте не належить до нього
фактично, оскільки не відповідає, на відміну від LTE-Advanced (3GPP Release 10)
або скорочено LTE-A, технічним критеріям мобільного зв'язку 4-го покоління
визначеного вимогами «IMT-Advanced» Сектором радіозв'язку Міжнародного
телекомунікаційного союзу. Технологія LTE-Advanced разом з WiMAX 2 була
офіційно визнана бездротовим стандартом зв'язку четвертого покоління
4G Міжнародним союзом електрозв'язку (ITU) на конференції в Женеві 2012
року. LTE-Advanced - це назва специфікації 3GPP 10 версії, яким ITU присвоїв
сертифікат «IMT-Advanced» - офіційний статус мереж четвертого покоління.
Попередні версії LTE не є технологією 4G [21].
В порівнянні з попередниками ширина смуги пропускання в LTE
змінюється від 1,4 до 20 МГц, чого достатньо для задоволення потреб операторів
МЗ, які володіють різними смугами пропускання. Крім цього мережа LTE
покращує ефективність використання радіочастотного спектру.
Технологія LTE може використовувати 6 ресурсних блоків мінімум – при
ширині каналу — 1,4 МГц., та 110 ресурсних блоків максимум при ширині
каналу 20 МГц.
Мережі 4G на базі стандарту LTE працюють у всіх наявних чинних
діапазонах частот, що виділені для стільникового зв'язку в усьому світі.
21 липня 2015 в Україні президентом Петром Порошенком було підписано
указ про запровадження 4G по всій території.
Проте на сьогоднішній день близько 15% населення України не мають
можливості бути користувачами 4G і в окремих випадках 3G, що може бути
зумовлено відаленістю від зони покриття МС, або складним географічним
розташуванням.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 9
23.03.2026
1.2. LTE в умовах неякісного мобільного зв’язку
4G – 4-те покоління мобільного зв’язку, що передбачає більш високу
швидкість передачі даних в порівнянні з попередниками. На відміну від 3G, де
максимальна швидкість мережі Інтернет становить 20 Мбіт/с, 4G роздає до 100
Мбіт/с. абонентам в русі і до 1000 Мбіт/с (1 Гбіт/с) стаціонарним абонентам.
Швидкість передачі даних в мережі 4G в 5-10 разів вище, ніж в мережах нижчого
покоління. 4G дає можливість швидко завантажувати файли великого об’єму з
Інтернету, переглядати відео, контактувати в різних менеджерах і виконувати
багато інших завдань, де потрібна досить висока швидкість Інтернету [21].
Мережу LTE можна реалізувати на частотах 0.7-2.4 МГц. Все залежить від
вартості витрат. В залежності від частоти, яку ми обираємо залежатиме зона
покриття, яку може забезпечити БС, оскільки чим вища частота, тим меншим
буде радіус покриття БС. В ситуації з пропускною здатністю все навпаки, чим
вища частота, тим більше абонентів можуть одночасно користуватись послугами
оператора. Радіус поширення сигналу LTE показано на рисунку 1.2.1.
Рисунок 1.2.1 – Поширення сигналу LTE в різних діапазонах
Тому найоптимальнішою на сьогодні можна вважати частоту 1800 МГц.
Частоти 4G в Україні
Розподіл частот науіональних операторів зв'язку наведено у таблиці 1.1.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 10
23.03.2026
Таблиця 1.1 Розподіл частотних діапазонів між операторами
телекомунікацій та технологіями, МГц
Технологія Київстар Vodafone Lifecell
(частота, МГц)
GSM (900) Так Так Так
E-GSM (900) Так Ні Ні
UMTS (2000) Так Так Так
LTE (2600) Так Так Так
LTE/GSM (1800) Так Так Так
CDMA (800-900) Ні Ні Так
Як видно з таблиці 1.1, на сьогоднішній день 4G працює в Україні на
частоті 1 800 МГц і 2 600 МГц, проте більш ефективною для роботи технології є
частота 900 МГц., але в Україні повноцінному функціонуванню 4G на цій частоті
заважає робота в CDMA-операторів, які реалізують роботу в даному діапазоні.
При неякісному мобільному інтернет-зв'язку – є можливість посилити
сигнал за допомогою 4G антени. Такі антени зараз досить компактні, мають вагу
до 0,5 кг., та підсилюють сигнал у 2-3 рази. Зазвичай такі пристрої встановлюють
на фасадах будинків, балконах квартир і офісів.
Вартість антенного обладнання залежить від фірми виробника і технічних
характеристик антени, на сьогоднішній день коливається від 1000 до 4000 грн.
Найбільш популярними в Україні є 4G антени фірми «Mimo».
Крім антен, застосовують також репітери - пристрої системи посилення
зв'язку, що складаються з двох і більше антен, одна з яких встановлюється на
вулиці (зовнішня) в зоні найбільш впевненого сигналу і направляється в сторону
базової станції. Сигнал від такої антени надходить на ретранслятор,
встановлений всередині приміщення, а від нього по кабелю надходить на
внутрішні антени, встановлені всередині приміщення, де необхідно забезпечити
стільниковий зв'язок.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 11
23.03.2026
Також, для підвищення слабкого сигналу задля доступу до Інтернет
використовують 4G роутери - зазвичай це мобільні пристрої розміром з флешку,
які підключаються до ПК, мережі або працюють автономно і дозволяють
отримувати Інтернет в будь-якому зручному місці. При цьому мобільний роутер
4G має функції роздачі Wi-Fi, в зв'язку з чим до нього мають можливість
підєднатися до 10 користувачів з різного обладнання, роутер дає змогу
працювати з СІМ-карткою будь-якого оператора який обслуговується в заданому
регіоні. Деякі Wi-Fi роутери мають акумулятор і можуть працювати автономно
без зарядного пристрою до 8 годин. Оскільки питання підвищення слабкого
сигналу 4G залишається актуальним, вибір засобів та систем підвищення
ефективності роботи мобільного інтернету в умовах неякісного мобільного
зв'язку з кожним днем зростає. І важливо знати чим керуватись перед вибором
потрібного саме вам засобу. Тож доречним буде описати параметри якості
сигналу LTE на які варто звертати увагу. Для визначення якості сигналу на
пристрої його роздачі, в розділі параметри знаходимо значення CINR(SINR) або
RSSI.
CINR (Carrier to Interference Noise Ratio) - це показник співвідношення
сигнал шум. Позитивне значення (більше 0) свідчить про те, що корисного
сигналу більше ніж шуму. Мінімальним значенням для стабільної роботи мережі
вважається CINR = 10 дБ., і чим вища ця цифра тим краща якість сигналу.
Негативне значення (менше 0) означає, що в сигналі який приймається
більше шуму ніж корисного сигналу. При такому значенню підключення LTE
з’єднання не можливе, або можливе з дуже низькою швидкістю та якістю
сигналу.
RSSI (Received Signal Strength Indicator) – індикатор рівня потужності
сигналу, який приймається пристроєм. Мінімальним значенням для роботи в
мережі цього параметру є – 85 дБм. Чим вище значення RSSI, тим кращим буде
рівень сигналу.
Вищевказані параметри є основними, проте багато пристроїв показують і
інші показники:
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 12
23.03.2026
RSRP (Reference Signal Received Power) – рівень сигналу, що надходить від
БС. При значенні – 120 дБм. І нижче підключення до мережі може не
встановлюватись, або при встановленні буде не стабільним.
RSRQ (Reference Signal Received Quality) – характеризує якість прийнятих
опорних сигналів.
CQI (Channel Quality Indicator) – індикатор якості каналу, який показує, які
саме ресурсні блоки і яка їх кількість виділена користувачеві. Значення цього
параметру може варіюватись від 0 до 15 і чим вищим воно буде, тим вищою буде
швидкість, яку може виділити БС оператора LTE.
В таблиці 1.2. наведено значення параметрів, які відповідають показникам
– «якісний», «достатній», «не достатній», «поганий» сигнал LTE.
Таблиця 1.2. Показники якості сигналу
Якість сигналу RSRP (дБм) RSRQ (дБ) SINR/CINR (дБ)
якісний ≥80 ≥-10 ≥20
достатній від -80 до - 90 від – 10 до - 15 від 13 до 20
не достатній від – 90 до - 100 від – 15 до - 20 від 0 до 13
поганий ≤ -100 ≤ -20 ≤ 0
Всі вище вказані параметри не є абсолютними, оскільки визначення точних
показників неможливе під впливом багатьох факторів, серед яких:
завантаженість БС; якість обладнання БС; погодні умови та ін.
1.3. Огляд існуючих засобів підвищення слабкого сигналу LTE
Основні засоби підвищення мобільного сигналу були описані вище,
розглянемо їх більш детально.
На сьогоднішній день ринок заповнений системами підвищення якості
мобільного інтернету та підсилювачів сигналів, розглянемо основні з них:
- Цілісні комплекти посилення сигналу мобільного зв'язку;
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 13
23.03.2026
Використовуються для підсилення мобільного сигналу та дозволяють
отримувати/передавати стійкий сигнал по мобільному зв'язку. Підсилювач
сигналу стільникового зв'язку складається з наступного набору:
1) Репітер;
2) Зовнішня антена (вулична);
3) Внутрішня антена (кімнатна);
4) Кабельні збірки.
Такий комплект досить дороговартісний і його ціна варіюється від 2500 до
15000 тис. грн. в залежності від його параметрів та характеристик.
- 4-G антени.
Антени 4-G можуть бути всеспрямованими (термінальні), панельними та
спрямованої дії антени типу “хвильовий канал”. Всеспрямовані антени надають
незначне посилення сигналу. Панельні антени та антени спрямованого типу
працюють здебільшого за технологією MIMO, що забезпечує збільшення
швидкості передачі інформації, проте можуть працювати і без неї.
Кожен тип антен призначені для використання у різних випадках (умовах
та для різних цілей).
Панельні антени мають широкий кут спрямованості – що є їх перевагою.
Саме такий тип антен використовуються операторами для роздачі та прийому
сигналу на своїх базових станціях. Доцільність їх використання обґрунтована
наступними потребами:
- для роздачі сигналу 4G у приміщеннях або на певній території;
- для прийому сигналу 4G у випадку, якщо відомим є лише приблизний
(орієнтовний) напрямок базової станції;
- у випадку, якщо в одному напрямку наявна не одна базова станція одного
оператора (в залежності від рівня завантаженості базової станції оператор має
змогу змінити потужність станції та обмежити можливість підключення
пристроїв із слабким рівнем сигналу);
- у випадку, якщо кут спрямованості антени охоплює базові станції інших
операторів;
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 14
23.03.2026
Антени типу хвильовий канал (спрямованої дії) застосовуються
здебільшого для підвищення коефіцієнту корисної дії через максимальне
збереження енергетики радіовипромінювання.
Вузькоспрямовані антени нинішні оператори зв’язку використовують
задля передачі даних по схемі “крапка-крапка” на значні відстані, через те, що
вони дозволяють по максимуму зберегти енергетичність випромінювання.
- 4G роутери - портативні прилади невеликих розмірів, які мають
вмонтований Wi-Fi модуль та модем, що призначений для роботи в мережах 4-
го покоління з підтримкою функції 4G LTE, як індивідуальний (одиничний)
засіб, що працює без антени, роутер надає незначне підсилення в межах будівлі.
Вартість варіюється від 1000 до 5000 тис. грн.
Підсилювачі використовують для підсилення сигналу на незначні відстані,
пристрої підключаються до Wi-Fi роутера по бездротовій мережі та покращують
якість мережі там, де роутер не справляється, знижуючи інтерференцію сигналу
і забезпечуючи надійне покриття Wi-Fi по всій будівлі. Підсилювач має
індикатор, що дозволяє знайти найбільш підходяще місце для розміщення [11].
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 15
23.03.2026
РОЗДІЛ 2. ЗАСТОСУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ МІМО В СУЧАСНИХ
СИСТЕМАХ ЗВ’ЯЗКУ
2.1. Технологія МІМО в системах зв’язку
Для існуючих засобів мобільного зв’язку технологія МІМО (Multiple input
Multiple output) система зв’язку з рознесеними передавальними і приймальними
антенами є досить перспективною.
Для впровадженні технології МІМО перед розробниками була поставлена
задача передачі більшого об'єму даних в одиницю часу, простими словами
потрібно було збільшити швидкість. В окремих випадках для цього було
достатньо збільшити смугу частот зв'язку. Технології МІМО було реалізовано в
стандарті GSM, який раніше був створений під голосовий трафік і мав ширину
каналу 0.2 МГц., на момент 2000-х цього було достатньо оскільки проблему
забезпечення одночасного доступу до мережі багатьма абонентами можна було
вирішити частотним (FDMA) і часовим розділенням (TDMA). З використанням
FDMA і TDMA вдалося досягти швидкості 384 кБіт/с. Проте з розвитком
мобільного інтернету властивості розділення стали смугою перешкод, для
збільшення швидкості. Для збільшення швидкості виникла необхідність
розширити полосу для інтернет трафіку з можливістю використання
інфраструктури GSM, в результаті чого було розроблено стандарт UMTS, яка
дозволила збільшити швидкість до 2 Мбіт/с. Але, як і очікувалось з розвитком
нових технологій цього також виявилось не достатньо.
MIMO: Технологія множинної передачі інформації, яка використовує
декілька антен та сигнал із різною поляризацією в одному частотному діапазоні
для збільшення швидкості передачі даних та більш ефективного використання
частотного ресурсу [14].
MIMO-антени працюють одночасно у двох поляризаціях: горизонтальній
та вертикальній - для цього їх підключають двома кабелями до роутеру або
модему (якщо є підтримка MIMO). Тобто насправді це дві антени в одній: можна
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 16
23.03.2026
зробити з двох звичайних антен одну MIMO антену - для цього потрібно
закріпити дві антени в одному напрямку під кутом 90° одна до одної. Користувач
антени з технологією МІМО може розраховувати на збільшення швидкості до 2
разів (у випадку із зовнішніми антенами) та кращу стабільність та якість
з'єднання за рахунок двоканального обміну даними між базовою станцією та
клієнтським роутером чи модемом [15].
Технологія МІМО стала комплексним вирішенням для збільшення
швидкості сигналу. МІМО - системи зв'язку з рознесеними приймальними
та передавальними антенами. Їх експлуатація дозволяє проводити часову та
просторову обробку сигналів, ефективніше використовувати потужність яку
випромінює передавач, крім цього технологія дозволяє знизити негативний
вплив завад. (Модель каналу МІМО показана на рисунку). Якщо порівнювати зі
звичайними системами зв'язку, які використовують одноелементні антени в яких
не передбачено збільшення випромінюваної потужності і смуги частот,
пропускну спроможність MIMO-систем можливо збільшити в залежності від
числа антенних елементів.
Рисунок 2.1.1 - Модель каналу MIMO
Високошвидкісний потік даних розділяється на певну кількість (N)
послідовностей, що є незалежними між собою з 1/N швидкості, які передаються
одночасно з декількох антен використовуючи тільки 1/N їх первинної смуги
частот.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 17
23.03.2026
Перетворювач потоку даних на передавальному кінці лінії зв'язку
перетворює послідовний потік у паралельний, а на приймальному - виконує
зворотне перетворення.
2.2. Впровадження технології МІМО при створенні ребристо-
стержневої антени для підсилення сигналу LTE
Найчастіше МІМО використовується для передачі і прийому сигналів
мобільного інтернету та для передачі даних за протоколом Wi-Fi.
Впровадження технології МІМО при конструюванні ребристо-стержневої
антени зумовлено тим, що в порівнянні з одноелементними антенами, які
застосовуються в системах зв’язку, є змога збільшити швидкість передачі даних
за рахунок збільшення числа антенних елементів.
З метою підвищення швидкості передачі даних (ПД) за рахунок
застосування технології MIMO передача сигналу може виконуватись з
використанням різних рівнів модуляції і кодування сигналу.
Антени з застосуванням технології МІМО забезпечують збільшення
масштабів зони покриття засобів радіозв’язку, використання декількох шляхів
поширення сигналу та збільшення пропускної здатності ліній зв’язку.
Рисунок 2.2.1 – Принцип функціонування МІМО-системи
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 18
23.03.2026
При впровадженні технології МІМО ми повинні розуміти, що ця
технологія повинна підтримуватись не лише модемом, який ми використовуємо,
а й на базі на яку ми спрямовуємо антену. Зазвичай в системах LTE 4-G число
каналів МІМО кратне двом і їх може бути – 2, 4, 8 бажано щоб це число
співпадало і на базі і на модемі. Для якісного функціонування систем з
технологією МІМО визначають канали 2х2 МІМО, та 4х4 МІМО. На
сьогоднішній день переважно використовують число каналів 2х2.
MIMO 2x2 і як працює впровадження технології на практиці.
Принцип дії технології досить простий - збільшення смуги пропускання
каналу за рахунок використання декількох антен на передачу та на прийом.
Більшість нинішніх операторів використовують технологію 2x2, тобто, через 2
роз'єми підключається антена до модему чи роутера, і дані передаються
одночасно з різними просторовими характеристиками на дві приймальні антени
базової станції. У такий спосіб досягається більш ефективне використання
всього спектра радіохвиль, що слугує збільшенню якості зв'язку за рахунок
просторового тимчасового/частотного кодування та підвищенню швидкості
передачі при застосуванні просторового мультиплексування [15].
Рисунок 2.2.2 – Принцип роботи антени при впровадженні технології МІМО
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 19
23.03.2026
Завдяки впровадженню технології MIMO в покриття LTE, можна досягти
швидкісного та стабільного мобільного інтернету, навіть перебуваючи за
межами покриття 4G.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 20
23.03.2026
РОЗДІЛ 3. ОГЛЯД ОСНОВНИХ ТИПІВ АНТЕН, ЩО
ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ У МОБІЛЬНОМУ ЗВ’ЯЗКУ
3.1. Антени, які використовуються у мобільному зв’язку
Система МЗ це ряд базових станцій, які об’єднані між собою за допомогою
радіорелейних та дротових каналів, а також з стільників, що містять абонентське
обладнання. Базові станції МЗ - комплекс радіопередавачів, призначених за для
здійснення зв'язку з кінцевими абонентськими пристроями. Одна БС здатна
підтримувати близько 20 передавачів і з розвитком технологій ця кількість
зростає, кожен окремий передавач здатний одночасно підтримувати зв'язок з
великою кількістю абонентів. Абоненти з’єднуються з БС за допомогною веж
МЗ. Вежі МЗ виступають в виглдяді проміжних станцій задля охоплення
білбьшою зони покриття, вони призначені для установки різного типу антен БС,
ретрансляторів та для забезпечення постійного покриття. Вежі дозволяють
операторам МЗ розміщувати базові станції за межами міста для уникнення
впливів електромагнітних хвиль на населення. Така можливість з'явилась
завдяки мінімуму вимог щодо землевідведення задля установки багатогранних
веж.
Передача інформації від веж до абонента здійснюється за допомогою
електромагнітних хвиль. Електромагнітну енергію випромінює антена. Для
охоплення більшої зони покриття антени МЗ встановлюють на певній висоті
відносно поверхні землі, для мінімізації втрат за рахунок впливу
електромагнітного поля земної поверхні, найчастіше на дахах приміщень.
Існує безліч класифікацій антен МЗ.
Класифікація за призначенням антени:
- приймальна;
- передавальна;
- комбінована.
За діапазонов використаних частот антени поділяють на:
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 21
23.03.2026
- довгохвильові;
- короткохвильові;
- сантиметрові;
- дицеметрові;
- метрові.
За діапазонними характеристиками спрямованості антени бувають:
- частотно не залежними;
- вузькосмухові;
- широкосмугові.
За спрямованістю випромінювача розрізняють антени МС:
- спрямовані;
- ненаправлені.
Розглянемо основні види антен, що застосовуються для організації
мобільної мережі (рисунок 3.1.1),
Рисунок 3.1.1 – Розподіл антен для бездротових СР
Антени мобільного зв’язку поділяються на базові ті, що встановлюються
операторами на базових станціях і входять в число приймально-передавальної
апаратури та абонентські ті, що встановлені безпосередньо в користувачів МЗ.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 22
23.03.2026
Антени це невід'ємна складова БС, від характеристик та параметрів антени
напряму залежить робота всієї станції. Основним завданням мобільної БС є
прийом та передача інформації, що рознесена в просторі та за частотою, для
цього використовують дві антени. Крім цього БС містить декілька приймачів та
аналогічну до них кількість передавачів, що дає змого працювати одночасно на
декількох каналах з різними частотами. ПМ і ПД містять в собі опорні
генератори які забезпечують узгодженість при переході з каналу на канал.
Центральний комп'ютер базових станцій здійснює контроль дієздатності
модулів, вузлів та складових системи та керує роботою БС. Рис.3.1.2.
Структурна схема БС
Рисунок 3.1.2 – Структурна схема базової станції
Антени базових станцій поділяються на секторні та антени всеспрямованої
дії. Секторні антени в свою чергу поділяються на [9]:
- панельні антени – найбільш розповсюджений тип спрямованих антен для
зовнішнього застосування, які призначені для організації покриття окремих зон,
цей тип антен випромінює сигнал до МС абонентів і приймає його від них.
Панельні антени встановлюють на вежах МЗ, вони мають вигляд довгої вузької
конструкції та характеризуються високим підсилення, кут розкриву такої антени
можливий на 60, 90 та 120 градусів. Площа покриття панельних секторних антен
визначається проекцією області випромінювання на землю, діаграма
спрямованості регулюється завдяки зміні кута нахилу антени;
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 23
23.03.2026
- хвилевідно-щілинні антени – система півхвильових щілин прорізаних в
стінці хвилеводу. Існує дві групи хвилевідно-щілинних антен, резонансні та
нерезонансні. Резонансні антени – ті у яких відстані між щілинами і їхнім
розташуванням забезпечують синфазність збудження щілин. Нерезонансні
антени дозволяють реалізувати електричне коливання променя шляхом зміни
величини фазового зсуву, за рахунок зміни частоти живлення антени. Збудження
щілин здійснюється за рахунок бігучої хвилею. Нерезонансні антени працюють
на більших діапазонах в порівнянні з резонансними і тому використовуються
частіше.
- колінеарні антени з екраном - складаються з двох чи більше штирів, що
з’єднані фазозсувними котушками індуктивності. Такі антени можуть мати
коефіцієнт підсилення від 3 до 12 дБм., та забезпечують надійний зв’язок.
Колінеарні антени працюють в основному в стандарті GSM, вони призначені для
підсилення слабкого GSM сигналу в умовах ускладненого прийому. Перевагою
є те, що колінеарні антени з дзеркалом працюють в більшості діапазонів частот,
які призначені для систем МЗ.
Антени всеспрямованого типу встановлюються на БС найчастіше в міській
місцевості, вони являють собою хвильові антени для зовнішнього застосунку і
працюють в діапазонах від 700 до 2700 МГц, більшість таких антен мають
вертикальну поляризацію. Вертикально поляризовані всенаправленого типу
антени випромінюють тороїдальну діаграму направленості з антеною в центрі,
враховуючи той факт, що ідеальних антен не існує, тому і ідеальних
тороїдальних діаграм направленості також не може бути, всі всеспрямовані
антени мають певні недоліки в діаграмах наравленості. Всеспрямовані антени БС
поділяються на:
- колінеарні – це певна кількість напівхвильових диполів, складених одна
над іншою таким чином щоб всі вони були розміщені на спільній колінеарній осі.
Перевагою колінеарних антен є те, що вони мають великий коефіцієнт
підсилення, досить компактні та зручні для використання і стійкі до невеликих
вітрових навантаженнях. Колінеарні антени найчастіше застосовують в якості
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 24
23.03.2026
антен базових станцій (ретрансляторів) і досить часто вони є складовою
частиною абонентських комплектів МЗ. Проте вони мають ряд недоліків:
вузький діапазон РЧ по вхідному опору; низька механічна міцність; необхідність
застосування погоджувальних пристроїв, при живленні антен коаксіальними
фідерами.
- вібраторні - антени, які виступають в якості ретрансляторів БС, станом на
зараз цей тип антен є основним типом антенних пристроїв, який цілком
відповідає вимогам до антен базових станцій різних систем МЗ. Вібраторні
антени мають безліч функціональних можливостей таких як: стійкість до впливів
атмосфери; здатність реалізацію коефіцієнта підсилення, що задається на БС,
здатність формувати характеристики спрямованості в площині азимута. Антени
такого типу часто застосовують в метрових та дециметрових діапазонах довжин
хвиль.
Абонентські антени – антени, які встановлені безпосередньо в користувача
МЗ. Абонентські антени МЗ поділяються на зовнішні та внутрішні (вбудовані).
Зовнішні абонентські антени – антенні пристрої призначені для прийому та
передачі даних, які розташовуються на будівлях чи в інших місцях вищих
відносно земної поверхні спрямовуються на МС та по коаксіальному кабелю
передають сигнал на пристрій, що його роздає. Зовнішні антени доречно
застосовувати в наступних ситуаціях: при нестійкому зв’язку на кордоні зони
покриття через віддаленість від БС; при роботі всередині зони покриття у
випадку відсутності сигналу; якщо зв’язок в приміщенні має високий рівень
послаблення сигналу. Використання зовнішньої АА в більшості випадків слугує
для збільшення терміну роботи модему від акумулятора, так як в залежності від
рівня сигналу варіюється і потужність передавача модему, а в разі застосування
зовнішньої антени ця потужність менша. У найпростішому випадку в якості
зовнішньої антени можна використати металевий штир, довжина якого дорівнює
1/4 довжини хвилі. Зовнішні АА поділяються на:
- стаціонарні антени – поділяються на антени типу "хвильовий канал",
логоперіодичні антени, які досить схожі між собою та мають вигляд
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 25
23.03.2026
дециметрової телевізійної антени, що підсилює сигнал від 7 до 15 дБ в одному
напрямку. До стаціонарних АА також відноситься параболічні антени, що
являють собою випромінюючу систему, яка складається з випромінювача і
рефлектора виконаного у вигляді параболічного циліндра. У порівнянні з
іншими типами зовнішніх антен параболічні антени прості у виготовленні й
досить легкі.
- виносні антени – поділяються на: штирьові з магнітним утримувачем для
встановлення на горизонтальній поверхні найчастіше використовується спільно
з GSM пристроєм для підсилення слабкого сигналу та забезпечення надійного
зв’язку; та колінеарні на магніті які складаються з двох або більше штирів, що
з’єднуються між собою фазозсувними котушками індуктивності. Такі антени
можуть мати коефіцієнт підсилення від 3 до 12дБм. і забезпечують більш
надійний МЗ.
Внутрішні (вбудовані) абонентські антени - інтегровані пристрої, які вже
містяться в системах МЗ, такі антени мають слабкий коефіцієнт підсилення і
поширюють сигнал майже рівномірно на всі сторони, вбудовані антени можуть
бути корисні виключно в невеликих приміщеннях. Виробники внутрішніх АА
постійно стикаються з проблемами складності моделювання антен під
затребуваний корпус, також вкрай складною для вирішення є потреба пристрою
працювати одночасно в декількох частотних смугах. Внутрішні АА поділяються
на антени класу РСВ, PIFA, керамічні та спіральні.
PCB - антени прості у конструюванні, та відносно не дорогі. PCB-антени
зручні для застосування в переносній апаратурі, побудованій на базі вбудованих
бездротових пристроїв.
PIFA - досить компактна антена, яку можливо приховати в мобільному
корпусі. Перевагою PIFA є зниження випромінювання відносно користувача,
зведення до мінімуму поглинання потужності електромагнітних хвиль. Антени
типу PIFA характеризуються можливістю зміни поляризації, ця функція набула
популярності і застосовується в бездротових мережах зв’язку, де орієнтація
антени не є фіксованою і відбиття присутні з різних сторін середовища.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 26
23.03.2026
Керамічні антени – короткозамкнута внутрішня антена з провідником,
виконаним в вигляді плоскої перевернутої букви F. Електрична довжина сигналу
такої антени складає ¼ від довжини хвилі. Основні характеристики такої антени
– досить широка полоса робочих частот, висока ефективність випромінювання,
підтримка багатодіапазонності та компактність.
Спіральні антени – дуже розповсюджений тип антени, який на
сьогоднішній день використовується в багатьох галузях сучасного
приладобудування. Антену можна вважати універсальною, що має незмінні
характеристики, виконана за спрощеною технологією і може бути автономним
елементом системи.
Спіральні антени просторового типу з нерегульованими параметрами поля
випромінювання використовують в конструкціях мобільних телефонів, саме
застосування в сфері МЗ дало поштовх для значного підвищення якості
прийому-передачі сигналів та постійного вдосконалення антени. Недоліком
такої антени є її можливість формувати всього одну типову діаграму
спрямованості, що базується на боковому випромінюванні антени.
3.2. Ребристо-стержнева антена як основний елемент системи
підсилення слабкого сигналу
Антена – є основним елементом системи підсилення слабкого сигналу.
З появою мікроелектроніки в НВЧ-діапазонах досить часто почали
застосовувати патч-антени, які складаються з двох прямокутних, або круглих
елементів залитих діалектиком. Згодом конструкцію патч-антен об'єднали з
антеною типу хвилевий-канал (антени Ягі) і в результаті отримали антени класу
ребристо-стержнева, які по іншому називають Патч-Ягі антени. Ребристо-
стержнева антена має приблизно такі ж властивості як діелектрична стержнева
антена. Збуджується така антена конічним рупором, або як в нашому випадку
вібратором з рефлектором. При цьому вздовж антени розповсюджується хвиля
НЕ11. Хвиля НЕ11, являє собою комбінацію хвилі Н11 і Е11 і відноситься до
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 27
23.03.2026
типу поверхневих хвиль, що розходяться вздовж стержня антени. Частина хвилі
переноситься стержневою структурою, а частина просторовим середовищем. В
ребристо-стержневих антенах вхідний опір та поляризаційні характеристики
цілком визначаються збуджуючим пристроєм [7].
Наша ребристо-стержнева антена по суті являється гібридом патч-антени і
uda-yagi антени.
Антену ми застосовуємо як основний елемент системи підсилення
слабкого сигналу, який розміщуєм зовні, оскільки при слабкому сигналі за
рахунок розміщення такої антени в приміщенні ми отримаємо додаткові втрати,
які будуть значно більшими ніж втрати зумовлені довжиною коаксіального
кабелю (рисунок 3.2.1 – послаблення зумовлені середовищем, при розміщенні
антени в приміщенні) .
Рисунок 3.2.1 - Послаблення зумовлені середовищем поширення
Тому ефективним буде розмістити антену зовні, підключивши її
коаксіальним кабелем до модему, або роутера. Далі спрямувавши її на МС
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 28
23.03.2026
обраного оператора, таким чином щоб на шляху сигналу було як умого меньше
завад, що зумовлюють послаблення сигналу (рисунок 3.2.2 – розміщення
зовнішньої антени).
Рисунок 3.2.2 – Розміщення зовнішньої антени
Рівень сигналу можемо відстежити шляхом підключення до мережі, за
допомогою вбудованих програмних функцій модему. У веб інтерфейсі
керування модемом в налаштуваннях є сторінка, що дозволяє відобразити точні
параметри сигналу.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 29
23.03.2026
РОЗДІЛ 4. РОЗРОБКА РЕБРИСТО-СТЕРЖНЕВОЇ АНТЕНИ З
ТЕХНОЛОГІЄЮ МІМО ДЛЯ ПІДСИЛЕННЯ СЛАБКОГО СИГНАЛУ LTE
4.1. Рохрахунок параметрів та моделювання ребристо-стержневої
антени в програмі SOLIDWORKS
На етапі моделювання ребристо-стержневої антени, в першу чергу
визначаємось з числом дисків з яких конструюватимемо виріб. Оскільки
ребристо-стержнева антена являє собою гібрид Уда-Ягі та патч антени, вона
перейняла перевагами обох антен, серед яких: високий коефіцієнт підсилення,
простота виготовлення та відносно малі розміри і вага. Проте конструкція антени
має і деякі наслідкові обставини гібридності: фактичних і кінцево правильних
розмірів антени не існує, все підбирається експерементальним шляхом; при
досить значній кількості директорів (більше 5-6) без налаштувань спеціального
пристрою (аналізатора) досягти кращих характеристик антени неможливо. Тому
оптимальним числом директорів антени вважаємо 5.
Складовими елементами ребристо-стержневої антени є: траверста
(стержень) на який кріпляться основні деталі (від її довжини залежить кількість
елементів), рефлектор, активний диск, 5 директорів, 14 гайок та 2 коннектори.
При моделюванні ребристо-стержневої антени розраховуємо параметр
кожної окремої деталі та відстані між ними.
Оптимальним числом кругових елементів вважаємо 7 (рисунок 4.1.1) з
них:
- рефлектор – D (складова частина антени, що виступає у вигляді джерела
випромінювання та є свого роду «дзеркалом»);
- активний диск – D0;
- директори – D1-D5 (сукупність вторинних випромінювачів, що
слугують для збільшення кофіцієнта направленої дії антени та
працюють за принципом уповільнюючої структури);
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 30
23.03.2026
Рисунок 4.1.1 – Елементи ребристо-стрежневої антени
Рефлектор антени виступає її пасивним елементом. Підсилення антени на
пряму залежить від відстані між її складовими елементами та розміру пасивного
елементу. Відстань між елементами являється параметром, що визначає розподіл
струмів по елементах антени. За рахунок зв’язків по електромагнітному полю,
точне балансування не можливе і нам потрібен розворот фази, який забезпечить
зв’язок між кінцями елементів. В директорі вимагається фаза мінус, в рефлекторі
фаза плюс.
Директори антени виступають в ролі уповільнюючої структури.
Суть уповільнюючої структури РС антени полягає в зміні швидкості
електромагнітної хвилі. Ідея вирівнювання фаз різних променів за допомогою
уповільнюючої структури застосовується в багатьох типах антен. Наша антена
відноситься до антен з поверхневою хвилею. Формування поверхневої хвилі
процес досить складний, але зводиться він до висновку, що маючи хвилю А
(центральна), яка має найкоротший шлях і хвилі типу В (бічні) які мають шлях,
що збільшується відносно їх розходження до країв антени, потрібно досягти
затримки хвилі А такої, щоб з хвилею В вони прийшли в точку збору одночасно
(активний диск). Досягається це наступним шляхом – для хвилі А створюється
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 31
23.03.2026
уповільнююча структура, якою хвиля В може знехтувати. В ролі уповільнюючої
структури РС антени виступає метоладіелектрик, а в ролі металодіелектрика в
нас виступає набір диполів, що складається з рефлектора та директорів. Завдяки
тому що пластини металодіелектрика виконані в формі суцільних дисків ми
маємо змогу збільшити полосу в якій досягається потрібне уповільнення і
антена є більш широкополосною.
Звісно, при розробці антени ми можемо збільшити кількість дисків, проте
враховуємо той факт, що антена має бути виконана точно і чим більше кругових
елементів ми матимемо тим більшим буде рівень не точності при її практичній
реалізації, що може значно повпливати на вихідні характеристика антени.
Виходи антени мають коротке замикання постійного струму між
зовнішнім і внутрішнім провідниками фідера та кріплення антени. Така
конструкція виключає накопичення статичної напруги на вході модему і при
цьому нам не обов’язковим застосовувати грозорозрядник.
На практиці, для розрахунку параметрів елементів антени існує безліч
спеціальних програм та калькуляторів, більшість з яких платні та не дають
можливості цілком зрозуміти обгрунтованість окремих розмірів елементів. Тому
розміри РС антени отримуємо шляхом розрахунків.
Антени такого типу з круговими елементами почали застосовувати
нещодавно, в порівнянні з такими ж антенами в яких використовують
квадратичні елементи.
В теорії розмір квадратного патча рівний половині довжини хвилі. На
практиці, враховуючи діелектричну проникність і вплив рефлектора розмір
сторони квадратного патча 0,4-0,48 від половини довжини хвилі [26].
При перерахунку в круглий патч - беремо круг тієї ж площі що і квадрат.
Круглий патч більш ширикополосний, на відміну від квадратного. У повітряного
патча, при підключені фідера на краю вхідний опір антени близько 100 Ом, в
центрі - 0, тобто КЗ (коротке замикання). Повітряний патч - той в якого в якості
діелектрика між рефлектором (землею) і активним диском (патчем/вібратором)
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 32
23.03.2026
повітря. Тож фідер підключають на деякій відстані від краю патча в точці яка
відповідає опору в 50-75 Ом.
Розмір рефлектора залежить від розміру активного диску, тож спочатку
розраховуємо його. Керуючись рекомендаціями [26].
Довжина сторони квадратного патча цілком залежить від довжини хвилі,
яку розраховуємо за формулами розрахувавши для початку довжину хвилі
с
λ =
nf
Де с – швидкість світла, n – показник заломлення, f – частота.
При цьому n = √εμ, де ε – відносна діелектрична проникність середовища,
яку отримуємо з таблиці сталих величин (4.1.1), μ – відносна магнітна
проникність середовища, прийнято вважати рівній 1.
Таблиця 4.1.1 – діелектрична стала окремих матеріалів
Діелектрична стапла деяких матеріалів при кімнатній температурі
Матеріал Діелектрична стала
Вакум 1 (за визначенням)
Повітря 1.0005
Гас 2.1
Папір 3
Кварц плавлений 3.75
Гума 7
Слюда 6
Метиловий спирт 30
Вода 80
Титанат барію 1200
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 33
23.03.2026
[4.1]
Довжина сторони квадратного патча буде дорівнювати половині довжини
хвилі λ.
D = 0.083м. = 83мм.
При перерахунку на круглий патч з використанням заданої площі квадрата:
Площа квадрату дорівнює Sкв.= 2R=6889 мм2.
Площа круга дорівнює Sкр. = ����2
s 6889
Визначаємо радіус круга R = √ = √ = 46.9
π 3.14
З чого отримуємо діаметр активного диску
�� = 2�� = 93.8 мм. [4.2]
Отриманий діаметр активного диску становить 93.8 мм, ця довжина рівна
резонансній.
Маючи діаметр активного диску можна визначитись і з діаметром
рефлектора, від розміру рефлектора залежить наскільки вузькоспрямованою
буде наша антена. Згідно рекомендацій [26] важаємо доречним розробити
рефлектор більшим відносно активного диску на 30%. При цьому ми отримаємо
діаметр направленості антени який нам підходить.
Dрефлектора = 1.3 R = 122 мм. [4.3]
Тепер можемо розрахувати розміри директорів антени D1-D5.
Діаметри першого директора на 20% менший відносно діаметру активного
диску D1 = 0.8D = 75 мм. [4.4]
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 34
23.03.2026
Діаметр інших директорів менший відносно D1 на 30%.
D2= D3= D4= 0.7 D1 = 52 мм. [4.5]
Відстань між елементами антени має прямий вплив на її частотний
резонанс. Зменшуючи чи збільшуючи відстань між директорами антени,
змінюється резонансна частота від чого змінюється діаграма направленості
антени та коефіцієнт підсилення.
Відстань між активним диском і рефлектором, розраховуємо керуючись
рекомендаціями [26], де подано інформацію про розрахунок параметрів Уда-Ягі
антени, оскільки РС антена є гібридом Уда-Ягі та патч антени ми сміливо
можемо використовувати рекомендації при розрахунку своєї антени. З графіку
залежності (рисунок 4.1.2) ми бачимо, що максимальне підсилення антени
досягається в межах від 0.07 до 0.17, тому беремо середнє значення і отримуємо
відстань між елементами в 0.9 λ.
Н0 = Н1 = 0.9 λ. = 15 мм. [4.6]
Рисунок 4.1.2 – Графік залежності коефіцієнту підсилення та широкосмуговості
відносно відстаней між елементами
Таким чином відстань Н0 = 15 мм., що є аналогічною відносно відстані
Н1.
Відстань між директорами антени не є сталим значенням та залежить від
довжини хвилі. В рекомендаціях [26] вказано, що відстань між директорами
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 35
23.03.2026
антени не може перевищувати 0.4 λ, типовою прийнято вважати 0.1λ…0.2λ.
Беремо значення 0.2λ. Оскільки директор D1 має розмір на 20% більший
відносно інших директорів то відстань Н2 має бути більшою на 30% відносно
відстаней Н3,Н4,Н5.
Н3 = Н4 = Н5 = 0.2λ = 34 мм. [4.7]
Н2 = 34×1,3 = 44 мм.
В програмному середовищі SolidWorks, ми маємо можливість побачити
загальний вигляд ребристо-стержневої антени. Програма дає можливасті:
зпроектувати 3D модель виробу будь-якого ступеня складності враховуючи
специфіку виготовлення; провести аналіз технологічносні конструкції виробу;
завчасно побачити в чому можуть виникнути проблеми при реалізації виробу
та як уникнути цих проблем. На етапі моделювання задаємо кількість
конструктивних елементів антени (рисунок 4.1.3).
Рисунок 4.1.3 – Перелік конструктивних елементів РС антени
Задаємо параметр кожного окремого елементу та відстані між ними, які ми
розрахували вище, показано на рисунках нижче. (Рисунок 4.1.4 – 4.1.8).
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 36
23.03.2026
Рисунок 4.1.4 - Параметри директора
Рисунок 4.1.5 - Параметри рефлектора
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 37
23.03.2026
Рисунок 4.1.6 - Параметри активного диску
Рисунок 4.1.7 - Відстань від рефлектора до активного диску
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 38
23.03.2026
Рисунок 4.1.8 - Відстань між дисками 5-6
Відстань між дисками 3-4, 4-5 аналогічна відносно відстані дисків 5-6.
4.2 Отримання показникі ребристо-стержневої антени для підсилення
слабкого сигналу LTE в середовищі програми Ansys HFSS
Унікальність антени ребристо-стержневого типу обумовлена тим, що
систему металевих дисків насаджених вздовж стержня можна вважати
імпедансною сповільнюючою структурою.
Антена такого типу відноситься до антен бігучої хвилі з уповільнюючою
фазовою швидкістю. Раніше такі антени застосовувались лише на грані
сантиметрових та дицеметрових діапозонів хвиль та працювали на частотах від
2 до 10 Ггц., на сьогодніж їх вдосконалили та почали застосувавати в метрових
діапазонах та при більш високих частотах.
Ребристо-стержневу антену можна віднести до пасивних підсилюючих
елементів, які працюють в режимі резонаторів, радіохвилі наводять струми в
струмопровідних елементах, причому амплітуда цих коливань буде залежати від
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 39
23.03.2026
того, на яку частоту реагуватиме антена. На вхід активного підсилювача
надходить змішаний потік, який складається з корисного сигналу та завад.
Ідея створення ребристо-стержневої антени «пушки» - вперше була
представлена ще в 2007 році, на форумі LAN23 І. Панченком, проте ця ідея була
реалізована для іншого діапазону частот відносно того який використовуємо ми,
відрізнялась конструктивним рішенням та в ній не було впроваджено технології
МІМО. Загальний вигляд антени показано на рисунку 4.2.1.
Рисунок 4.2.1 – Ребристо-стержнева антена
Для реалізації ідеї розробляємо антену на 75 Ом, можна і на 50 Ом проте
враховуючи той момент, що нам потрібна ефективна антена і розміщуватись
вона буде на висоті близько 5-6 м., потрібно врахувати, що в кабелі на 50 Ом.
відбувається затухання більше ніж на 4 Ом. При кабелі довжиною 10 метрів
затухання буде уже 8 Ом. і на виході ми отримуємо значно менше ніж очікували.
Для того, щоб уникнути цієї проблеми можна використати товстий кабель 50
Ом., проте такі кабелі досить дороговартісні і не вписуються в нашу економічну
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 40
23.03.2026
розробку. Тому використовуємо звичайний телевізійний фідер з 75 Ом антеною,
вартість якого складає 7,5 грн. за метр. При цьому втрати будуть значно менші.
Щоб отримати вихідні характеристики ребристо-стержневої антени для
діапазону 1800 МГц. використовуємо програму Ansys HFSS.
Вибір саме цієї програми обгрунтований змогою перенести в середовище
цієї програми цуже змодельовану антену в програмі SolidWorks, при цьому
вказуючи додаткові необхідні параметри.
Ansys HFSS – програма для електродинамічного 3D-моделювання, в якій
заведений набір методів для проведення розрахунків в числовій та частотній
областях. Базовим алгоритмом програми являється метод кінцевих елементів в
трьохвимірній постановці, реалізованій в частотній області, для розрахунку
поведінки електромагнітних полів на довільній геометрії з заданими
властивостями матеріалу.
Властивості програми Ansys HFSS, які використовуються для отримання
характеристик нашої антени [25].
- розрахунок коефіцієнту стоячої хвилі;
- отримати параметри випромінювання і розсіювання (діаграма
направленості, коефіцієнт спрямованої дії, підсилення антен та ін.);
- відображати в 3D розподіл струму, вектор щільності потоку
потужності, розподіл електромагнітних полів (в ближній та дальній
зонах);
- та ще безліч властивостей.
Оскільки програма платна то використовуємо її демоверсію (курс для
студентів).
Для розрахунку характеристик антени переносимо з середовища
SolidWorks 3D модель з розрахованими параметрами, при цьому вказуючи
матеріал з якого виготовляється кожен елемент антени в дійсності – оскільки
програма має властивість врахувати електропровідність матеріалу (рисунок
4.2.2).
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 41
23.03.2026
Рисунок 4.2.2 – Вікно задач Ansys HFSS
Вказуємо порти підключення та частотні характеристики. (рисунок 4.2.3
а,б) [25].
а)
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 42
23.03.2026
б)
Рисунок 4.2.3 а – Порти підключення (живлення) антени;
б – частотні характеристики
Для отримання показників антени нам варто задати середовище та
помістити антену в нього, середовищем антени задаємо повітря (рисунок 4.2.4).
Рисунок 4.2.4 - Середовище антени
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 43
23.03.2026
Оскільки мобільні оператори працюють не на строго фіксованій частоті і
мають певну ширину каналу, то створюємо постановку задачі для розрахунку
робочих характеристик антени в певному проміжку частот, а саме в діапазоні від
1.65 Ггц. до 1.95 Ггц. (рисунок 4.2.5)
Рисунок 4.2.5 – Частотний діапазон
Таким чином ми отримуємо розрахунки окремих показників антени
отримані в програмі Ansys HFSS показано на рисунку 4.2.6 (а,б,в).
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 44
23.03.2026
а)
б)
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 45
23.03.2026
в)
Рисунок 4.2.6 – показники антени отримані в програмі Ansys HFSS:
а) імпеданс – комплексний опір, б) коефіцієнт стоячої хвилі, в) кофіцієнт
підсилення антени
Електричний імпеданс це комплексний опір двополюсника для
гармонійного сигналу. Це поняття аналогічне до опору для постійного току і
тому дає можливість застосувати закон Ома для ділянки ланцюга в випадку
синусоїдальних струмів. У випадку, якщо двополюсник має прояв індуктивної
складової на вказаній частоті, то синусоїдальний струм буде відставати від
напруги на зажимах двополюсника, у випадку коли наявний прояв ємнісної
складової, то напруга буде відставати від струму. Якщо двополюсник - активний,
то затримки між струмом і напругою відсутня. Якщо реактивну складову
імпедансу X відкласти по оcі Y з відповідним знаком, а активну R по осі X, то
вийде графічна інтерпретація імпедансу як комплексного числа
�� = �� + ����
Де j - це уявна одиниця в представленні комплексного числа (j2 = -1), а
реактивна складова X теоретично може бути представлена виразом
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 46
23.03.2026
1
х = 2������ −
2������
в якому f (Герц) - це частота синусоїдального сигналу; L (Генрі) -
висловлює вплив індуктивної складової опору; а 1/С (Фарад) - висловлює вплив
ємнісної складової.
Програма Ansys HFSS показує розрахунок антени з різницею підключення
антени різними фідерами, один з яких = 75 Ом, інший = 50 Ом.
Коефіцієнт стоячої хвилі - відношення значень напруги електричного
поля у максимумі та у мінімумі стоячої хвилі. КСХ також визначається шляхом
співвідношення енергії вхідної та відбитої хвиль.
���� + ����
КСХ =
���� − ����
де: Wf - вхідна енергія, Wr – відбита енергія.
КСХ може мати значення від 1 до нескінченності.
Як бачимо з рисунку 4.2.6 – б, кофіцієнт стоячої хвилі меньше 2, що вказує на
широку полосу пропускання.
Коефіцієнт підсилення антени - значима характеристика будь якої антени,
яка показує наскільки інтенсивність випромінювання конкретної антени в
певному напрямку більша за інтенсивність випромінювання гіпотетичної
ізотропної антени.
Коефіцієнт підсилення антени визначається,
як відношення щільності потоку енергії, що випромінюється в певному
напрямку, до щільності потоку енергії, який був би зафіксований від ізотропної
антени [23].
Найчастіше коефіцієнт підсилення антени обчислюється як логарифмічна
величина в так званих «ізотропних децибелах» (дБі):
E
G = 10 × log10( )
Ei
де G - коефіцієнт підсилення антени; E - напруженість поля, що створена
антеною в певній точці; Ei - напруженість поля, створюваного ізотропною
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 47
23.03.2026
антеною в тій же точці. В нашому випадку під коефіцієнтом
підсилення спрямованої антени мається на увазі максимальний коефіцієнт
підсилення цієї антени в напрямку її найінтенсивнішого випромінювання.
Діаграма спрямованості антени приблизно однакова в усіх робочих
діапазонах. Розміщення головної пелюстки залежить від кута розташування
антени.
Рисунок 4.2.7 – Діаграма направленості ребристо-стержневої антени
Незважаючи на наявність кругових елементів поляризація нашої антени
лінійна. Вісь поляризації проходить через центр диску, таким чином поляризація
в нас залежить від кута розміщення антени. Якщо розмістити антену таким
чином щоб коннектор буде знаходитись на вертикальній осі, що проходить через
цент антени отримаємо вертикальну поляризацію. Якщо повернути антену по осі
на 90 градусів при чому коннектор буде збоку від центру, отримаємо
горизонтальну поляризацію.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 48
23.03.2026
При розробці антени «пушки» ми використовуємо технологію МІМО, для
цього підключаємо другий вхід до активного диску під кутом 90 ° відносно
першого так щоб відстань до країв диску була рівною з обох сторін. Такий кут
поляризації ставлять на обидва канали при вертикально/горизонтальній
орієнтації антени при цьому враховуємо, що один із каналів матиме більше
затухання через впливи земної поверхі. Маючи 2 входи МІМО розв’язка між
ними складає 18-20 дБ.
Про реалізацію технології МІМО потрібно подумати ще на етапі закупівлі
необхідного обладнання та деталей антени підсилювача. Модем до якого будемо
підключати антену потрібен обрати таким, що він мав два входи [15].
Впровадження технології МІМО в ребристо-стержневу антену,
обґрунтоване кількістю каналів зв’язку, які слугують для підвищення швидкості
прийому та передачі даних. У випадку якщо різниця між рівнем сигналу в
каналах складає менше ніж 8 дБ., приріст від другого каналу буде відсутній. Коли
ця різниця досягає рівня від 8 до 14 дБ., приріст може покращитись в два рази.
Для забезпечення розв’язки між двома каналами і отримання бажаного приросту
в стандартах 3G та 4G прописана умова проектування антен таким чином, щоб
розв’язка між каналами складала не менше 15 дБ. Отримати таку розв’язку
можливо двома способами:
1. space diversity (космічне різноманіття).
2. polarization diversity (поляризаційна різноманітність) – оскільки ми
застосовуємо саме цей спосіб опишемо його більш детально. Спосіб
поляризаційної різноманітності може бути реалізовано у випадку, якщо
електромагнітна хвиля плоска (поперечна), що дає можливість розповсюдження
в просторі 2-х ортогональних хвиль, або як у нашому випадку дві лінійні
поляризації повернуті на 90 градусів. Більшість антен операторів МЗ працюють
з 2-портовими антенами лінійної поляризації виконаних саме таким способом.
Поки що антени з технологією МІМО ми можемо застосовувати лише для
LTE 4-G, оскільки 3-G цю функцію не підтримує, проте в подальшому технологія
буде модифікована під 5-G.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 49
23.03.2026
При розробці антени беремо до уваги і місце підключення фідера до антени
та діаметр штиря кріплення, оскільки від цих елементів залежать вихідні
характеристики антени.
Систему підвищення сигналу мобільного інтернету реалізуємо беручи до
уваги регіон та мобільних операторів які його обслуговують. Уже готову антену
підключаємо по телевізійному кабелю до модема який підключений до живлення
та користуючись картою мобільних операторів спрямовуємо на мобільну
станцію, для порівняння співвідношення сигнал/шум та вибору оптимального
варіанту. Експериментальне підключення ребристо-стержневої антени
проводимо в Кам’янському районі Черкаської області в місцевості де відстань до
найближчих мобільних станцій становить 7 км. до МС Vodafone, 9 км. до МС
Lifecell та 5 км. до МС Київстар. Проте зважаючи на рельєф обраної місцевості
(знаходиться в низині), якісний сигнал 4G тяжко впіймати без підсилювальної
апаратури.
4.3. Визначення місця розташування ребристо-стержневої антени для
найбільш ефективного підсилення слабкого сигналу
Для визначення місця розташування та направленості антени та для
побудови шляху прийому та передачі сигналу, потрібно визначити місце
розташування найближчих станції МЗ відносно заданої геолокації (Рисунок
4.3.1). В Україні існує база даних, в якій вказується місце розташування
мобільних веж, але ознайомившись з цими даними було зроблено висновок, що
база побудована на підставі даних про отримання мобільними операторами
дозволів на розміщення вежі [24] в тій чи іншій місцевості, і досить багато з них
існують лише в планах, а не в дійсності. Тому місцезнаходження веж визначаєм
методом реального їх пошук в межах 10 км.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 50
23.03.2026
Рисунок 4.3.1 – Місце розташування найближчих станцій МС
Місце слабкого LTE сигналу обираємо за зведеною картою покриття
операторів 4G, позначено: Київстар – синім; Vodafone – рожевим; lifecell –
жовтим кольорами (рисунок 4.3.2). Місцем слабкого сигналу в Черкаській
області обираємо населений пункт Кам’янського району і назвемо його місце Х.
(показано на рисунку 4.3.3) [27].
Рисунок 4.3.2 - Зведена карта покриття 4G
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 51
23.03.2026
Рисунок 4.3.3 – Сигнал 4G в обраному населеному пункті
Як видно з рисунку 4.3.3, сигнал 4G доступний лише користувачам
Vodafone, проте в дійсності обраний населений пункт знаходиться значно нижче
відносно МС Vodafone і сигнал цього оператора не доступний через топографічні
особливості обраного НП. Використовуючи онлайн ресурс та вказавши частоту
1800 МГц. визначаємо місце розташування МС. Напрямок до МС Vodafone
(показано на рисунку 4.3.4), лінію сигналу позначену на рисунку синім та зону
Френеля позначену на рисунку жовтим (рисунок 4.3.4). Відстань до МС Vodafone
становить 7 км. Як бачимо з рисунку 4.3.5 на лінії сигналу є перешкоди в вигляді
топографічних особливостей, що унеможливлює якісний доступ до 4G LTE.
Рисунок 4.3.4 – Напрямок до станції Vodafone
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 52
23.03.2026
Рисунок 4.3.5 – Рельєф на шляху поширення сигналу до МС Vodafone
Відстань до МС Київстар становить 5 км. (рисунок 4.3.6), і як бачимо з
рисунку 4.3.7 топографічні особливості не є завадою для якісного сигналу 4G,
завадою в випадку підключення до МС Київстар являються насадження, які не
показані на рисунку. При підключенні до даної МС сигнал 4G слабкий, крім
цього в порівнянні з іншими мобільними операторами Київстар надає ліміт на
трафік, який обмежений політикою справедливого користування. Політика
справедливого користування мережевими ресурсами в оператора МЗ Київстар
застосовується до користувачів МІ споживаний трафік яких перевищив 40 000
МБ протягом періоду дії тарифу. Такі умови є економічно невигідними в
порівнянні з умовами інших операторів МЗ.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 53
23.03.2026
Рисунок 4.3.6 - напрямок до станції Київстар
Рисунок 4.3.7 – Рельєф на шляху поширення сигналу до МС Київстар
Найвигідніші умови користування МІ надаються оператором Lifecell, МС
якого знаходиться на відстані 10 км (рисунок 4.3.8). Для вільного доступу до
мережі Інтернет оператор надає трафік 200 гігабайт, якого вистачає на весь
період дії підключеного пакету послуг. Як видно з рисунку 4.3.9 лінія сигналу
до МС Lifecell краща ніж до МС Vodafone, проте гірша ніж до МС Київстар. Але
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 54
23.03.2026
враховуючи переваги наданих послуг оператора Lifecell, підключення до цієї МС
можемо вважати оптимальним рішенням.
Рисунок 4.3.8 - Напрямок до станції Lifecell
Рисунок 4.3.9 – Рельєф на шляху поширення сигналу до МС Lifecell
Оскільки ми визначились, що найбільш оптимальним і економічно
вигідним варіантом буде підключення до МС Lifecell нам необхідно правильно
визначити просвіт траси шляхом правильного вибору висот підвісу антен.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 55
23.03.2026
Параметри апаратури БС є сталими і повпливати на них ми не можемо.
Оскільки ми знаємо, що висота мачти Lifecell = 30 м., будемо вважати що
Hантени1=30м. В програмі DRRL60 вносимо всі відомі параметри (рисунок
4.3.10) та будуємо трасу радіосигналу, задаючи зарані відому висоту підвісу
антени БС, визначаємо оптимальну висоту абонентської антени (рисунок 4.3.11).
Рисунок 4.3.10 – Параметри траси
Рисунок 4.3.11 – Висота підвісу антен
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 56
23.03.2026
Оптимальною висотою підвісу абонентської антени згідно заданих параметрів
буде Нантени2 - 6м.
Крім визначення оптимальної висоти підвісу антени, програма дала можливість
отримати значення критичного просвіту без урахування рефракції радіохвиль
Нкр = 9,3 м. Перевіримо правильність визначення просвіту траси за формулами:
��(0) = ��0 + ∆��(?̅?)
де ��(0) – величина просвіту без урахування рефракції радіохвиль
��0 - критичний просвіт, що визначається з особливості, що радіопромінь
переміщається усередині зони Френеля, яка є елепсоїд обертання в точці
прийому і передачі. Мінімальний радіус зони Френеля визначається за
формулою:
1
H0 = √ R0KTP(1 − K
3 TP)
де
��0 – довжина прольоту, м
– робоча довжина хвилі
������ – відносна координата найвищої точки профілю = 0.01, оскільки
найвищою точкою профілю в нас є БС то значення беремо мінімальне.
Робочу довжину хвилі знаходимо з формули:
��
�� =
��
де с – швидкість світла,
f – частота.
Отже,
�� 299792458
�� = = = 0,16 м
�� 1800000000
Знайшовши робочу довжину хвилі ми можемо розрахувати критичний
просвіт ��0:
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 57
23.03.2026
1
��0 = √ ∙ 10000 ∙ 0,16 ∙ 0,01 ∙ (1 − 0,01) = 9,2 м
3
∆��(?̅?) – приріст просвіту, обумовлений явищем рефракції,
��2
0
∆��(?̅?) = − ?̅?�� (1 − �� )
4 ���� ����
де ?̅? – середнє значення вертикального градієнта діелектричної
проникності тропосфери, ?̅? = 0.1 ∙ 10−8 1/м.
��0 – довжина прольоту, м
������ – відносна координата найвищої точки профілю прольоту, м
?̅? = 0.1 ∙ 10−8 1/м, ��0 = 10000 м, ������ = 0,01 м
Маючи дані значення ми можемо розрахувати приріст просвіту,
обумовлений явищем рефракції ∆��(?̅?):
100002
∆��(?̅?) = − ∙ (0,1 ∙ 10−8) ∙ 0,01 ∙ (1 − 00,1) = 0,025 м. = 2,5 см.
4
Розрахувавши критичний просвіт ��0 та приріст просвіту, обумовлений
явищем рефракції ∆��(?̅?) ми можемо розрахувати величину просвіту без
урахування рефракції радіохвиль ��(0):
��(0) = ��0 + ∆��(?̅?) = 9.2 + 0.025 = 9,225 м.
Тепер ми можемо порівняти значення отримане в програмі ��(0) =
9.3м. та значення розраховане нами ��(0) = 9.225 м. Різниця незначна тому
можна сказати, що ми отримали правильний результат.
Знаючи висоту підвісу антени ми можемо розрахувати ККД (коефіцієнт
корисної дії) тракту антенного фідера.
ККД розраховується за формулою:
ŋ = 10−0.1аОБЩ
де аОБЩ – загальне згасання тракту, що складається із згасання
зосереджених елементів (прийнято рівним 3 дБ), і згасання хвилеводу. Згасання
хвилеводу знаходять, знаючи довжину хвилеводу (прийнято рівній висоті підвісу
антени) і погонне загасання хвилеводу (прийнято рівним 0,05дБ/м).
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 58
23.03.2026
Отже:
аОБЩ1 = 3 + 6 ∙ 0,05 = 3.3 дБ
аОБЩ1 = 3 + 20 ∙ 0,05 = 4 дБ
ŋ = 10−0.1∙4 = 0,39 = 39%
Розрахунок мінімально-допустимого множника послаблення
Даний розрахунок роблять по формулі:
VМИН = PПОР − ��Пд + ��0 − ��ПД − ��ПР − ŋАВТ, дБ
Де PПОР – порогова потужність сигналу на вході приймача, - 118 дБВт
��Пд – потужність сигналу на виході передавача, - 8 дБВт
��0 – згасання сигналу у вільному просторі, дБВт
4πR
W0 = 20lg( 0), дБ
λ
4∙π∙10000
W0 = 20lg ( ) = 97,9 дБ
0,16
��ПД, ��ПР – коефіцієнти підсилення передавальної і приймальної антен, дБ.
Величина G розраховується по формулі:
4����
�� = ��ПД = ��ПР = ��1
��2
Де �� – площа розкриву антени,
λ – довжина хвилі;
��1 – коефіцієнт використання поверхні розкриву (апертури) антени.
Площу розриву антени �� ми знайдемо за допомогою формули:
��
�� = ∙ ��2
4
де d – діаметр антени = 122 мм.
Отже,
3,14
�� = ∙ 0.1222 = 0,012(м)2
4
Знаючи площу ми можемо розрахувати величину G:
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 59
23.03.2026
4∙π∙0.012
G = GПД = GПР = 10lg (10 ∙ ) = 17.7 дБ
0,162
ŋАВТ розраховується за наступною формулою:
ŋАВТ = азаг(ℎ1) + азаг(ℎ2) = 3,3 + 4 = 7,3 дБ
Розрахувавши всі необхідні значення ми можемо розрахувати мінімально-
допустимий множник послаблення VМИН:
VМИН = −118 − (−8) + 97,9 − 17,7 − 17,7 − 7,33 = −54,83 дБ
Отже, мінімально-допустимого множника послаблення = -54.83 дБ.
4.4 Практичне конструювання та підключення антени.
Ребристо-стержнева антена складається з рефлектора товщиною 1,5 мм., 6
металевих дисків товщина яких 0,8-1 мм. з отвором по середині. Металеві
диски нанизуються на металевий прут (шпильку) з різьбою М4 і закріплюються
гайками з прес-шайбами з обох сторін. Загалом, можна обійтись без прес-шайб
і закріпити звичайними гайками, проте при цьому отримаємо менш якісну
фіксація дисків, оскільки звичайні гайки мають відхилення геометрії і диски
стають із перекосом, а між двома гайками з пресшайбою стають рівно.
В першу чергу задаємо з’єднання між рефлектором і активним диском, для
цього припаюємо частину центральної жили кабелю певної довжини до
активного диску таким чином, щоб він при встановленні дисків ввійшов в
коннектори встановленні на рефлекторі з однієї сторони, а з іншого боку
коннектора прикручуємо кабель. При такому з'єднанні ми втрачаємо в ньому
близько 0.5 дБ., але отримуємо простоту і зручність монтажу кабелю.
Виступаюча частина коннектора в сторону активного диска служить екраном
для центрально проводу зменшуючи паразитну індуктивність центрального
штиря і покращує характеристики антени.
Почергово нанизуємо інші кругові елементи (директори) суворо
додтримуючись розрахованих відстаней між ними.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 60
23.03.2026
Готову ребристо-стержневу антену підключаємо телевізійним кабелем (75
Ом.) до модему. Модем використовуємо марки Huawei серії E8372h-153. Модем
цього типу невеликий за розмірами, має два виходи для підключення антени,
працює зі стандартами GSM/UMTS/LTE, модем вважається високошвидкісним
оскільки працює в мережі 4G і дає можливість отримати швидкість завантаження
даних 150 Мбіт/с, при цьому його можна використовувати в якості
маршрутизатора (роутера) Wi-Fi, до якого одночасно може підключитись до 10
пристроїв з досягненням максимальної швидкості 300 Мбіт/с. Технічні
характеристики Huawei E8372h-153: підтримує стандарти зв'язку 2G - GSM
850/900/1800/1900 МГц.; 3G - UMTS 900/2100 Мгц.; 4G - LTE FDD
800/900/1800/2100/2600 МГц. Модем має вбудований слот для розміщення сім
карти обраного оператора. Модем цього типу використовуєм, тому, що до всих
його плюсів можна віднести можливість побачити в реальному часі параметри
сигналу. Загалом антену можна використовувати з будь яким модемом, чи
роутером з підтримкою технології LTE (4G), який може працювати на частоті
1800Мгц, та має виводи для підключення зовнішньої антени.
Розміщуємо антену на висоті (близько 5-6 м.) направляючи її в сторону БС
обраного нами оператора мобільного зв’язку, та відслідковуємо показники її
якості, підключившись до модему по WiFi з телефону у веб інтерфейсі
відкриваємо спеціальну вкладку з параметрами сигналу, що відображаються в
реальному часі. Орієнтуючись на ці показники знаходимо найкраще місце
встановлення антени і точний напрямок. Кріпимо антену за допомогою
кронштейну на визначеному місці. РС антена виконана з оцинкованого металу,
конектори нікельовані, центральні припаяні жили мідні, всі ці матеріали стійкі
до погодних умов і забезпечать досить тривалий час експлуатації антени тому
додаткових засобів захисту від впливу погодніх умови не потребується.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 61
23.03.2026
4.5. Порівняльна характеристика сигналу при використанні ребристо-
стержневої антени та без її використання
Маючи готову антену, визначившись з висотою її підвісу, спрямованістю
та оператором МЗ, підключивши її по телевізійному кабелю до пристрою
роздачі, можемо провести порівняльну характеристику показників.
а) б)
Рисунок 4.5.1 – Швидкість передачі даних
а) з використанням антени
б) без використання антени
Як бачимо з рисунку 4.5.1 швидкість прийому/перадачі зросла від 1.14
Мбіт/с до 14.33 Мбіт/с на передачу та від 1.35 Мбіт/с до 21.9 Мбіт/с на прийом.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 62
23.03.2026
На рисунку 4.5.2 рівень сигналу мережі LifeCell представлений
стандартною шкалою покриття.
а)
б)
Рисунок 4.5.2 – Рівень сигналу:
а) з використанням антени
б) без використання антени
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 63
23.03.2026
а) б)
Рисунок 4.5.3 – Параметри сигналу:
а) з використанням антени
б) без використання антени
З рисунку 4.5.3 де показана порівняльна характеристика рівня сигналу та
окремих параметрів з використанням та без використання РС антени, ми бачимо
явне покращення показників якості сигналу де:
RSSI (Received Signal Strength Indicator) – рівень потужності приймача = -
66 дБм.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 64
23.03.2026
RSRP (Reference Signal Received Power) – рівень сигналу, що надходить
від базової станції = - 92 дБм.
SINR або CINR (Carrier to Interference Noise Ratio) - показник
співвідношення сигнал шум = 21 Дб.
RSRQ (Reference Signal Received Quality) – показник прийнятих опорних
сигналів = - 7 Дб.
Керуючись даними з таблиці 1.2. де наведено показники якості сигналу
можимо зробити висновок, якість сигналу покращилась з рівня «поганий» до
рівня «достатній», що дає змогу повноцінно користуватись мережею.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 65
23.03.2026
ВИСНОВОКИ
Враховуючи передумови розвитку систем доступу до інтернету та
проблему доступу до якісного LTE 4-G в умовах неякісного мобільного зв’язку,
розглянуте питання є важливим та актуальним в Україні. Досліджувана
проблема є такою, що полягає в постійному вивченню та удосконаленню.
Запропонована система підвищення сигналу мобільного інтернету є економічно
обґрунтованою та доступною порівняно з системами пропонованими на ринку.
В ході виконання дипломної роботи було розраховано параметри
складових елементи ребристо-стержневої антени, що є частиною системи
підсилення слабкого сигналу LTE, виконано моделювання антени в програмі
SolidWorks, та для отримання окремих показників антени проведено роботу в
програмному середовищі Ansys HFSS. Описано технологію впрвадження МІМО
в систему підсилення слабкого сигналу, принцип її роботи, та впроваджено її при
практичній реалізації антени. Визначено місцерозташування антени відносно
найближчих станцій МЗ, проведено дослідження та аналіз показників сигналу
антен відносно підключення до різних операторів МЗ. Обрано оптимальний
варіант для спрямованості антени. В програмі DRRL60 отримано оптимальну
висоту підйому антени та досліджено показники антени при підйомі на цю
висоту. Крім визначення оптимальної висоти підвісу антени, програма дала
можливість отримати значення критичного просвіту без урахування рефракції
радіохвиль Нкр = 9,3 м. Це значення перераховано за формулами із отриманням
показника Нкр = 9,222 м. Різниця значень є приємливою оскільки похибка в 1%
вважається допустимою. Розраховано параметр мінімального допустимого
послаблення антени, що = - 54.83 дБ.
Після встановлення антени через підключення до мережі проведено
порівняльну характеристику показників РС антени таких як:
RSSI - рівень потужності приймача = - 66 дБм.
RSRP - рівень сигналу, що надходить від базової станції = - 92 дБм.
CINR - показник співвідношення сигнал шум = 21 Дб.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 66
23.03.2026
RSRQ - показник прийнятих опорних сигналів = - 7 Дб.
Практична реалізація ребристо-стержневої антени як складової системи
підсилення слабкого сигналу LTE дала змогу провести порівняльну
характеристику параметрів та показати, що при використанні системи
співвідношення сигнал/шум значно краще, швидкість прийому/перадачі зросла
від 1,14 Мбіт/с до 14,33 Мбіт/с на передачу та від 1,35 Мбіт/с до 21,9 Мбіт/с на
прийом, що наведено на рисунках вище.
Реалізована нами система має властивості ефективно працювати на
відстані до 30 км від найближчої мобільної станції. В умовах нинішнього
переходу на «Електронну Україну» розроблена нами ребристо-стержнева антена
з технологією МІМО є альтернативним способом підключення до якісного
мобільного інтернету користувачів регіонів в яких є проблеми з доступом до
мережі.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 67
23.03.2026
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Цалієв Т.А. Конспект лекцій з дисципліни «Антени та пристрої НВЧ» для
студентів усіх форм навчання за спеціальністю Апаратура радіозв’язку,
радіомовлення і телебачення. Одеська національна академія зв’язку/ Одеса. 2005.
2. https://www.ukrinform.ua/rubric-presshall/3072241-rezultati-persogo-v-ukraini-
doslidzenna-naavnosti-dostupu-naselenna-do-visokosvidkisnogo-internetu.html
3. ‘
4. https://prostir.wikia.org/uk/wiki/ Електронна Україна.
5. https://uk.wikipedia.org/wiki/4G в Україні.
6. https://itc.ua/news/_mmdsukraina_poluchila_jeksklyuzivnuyu_licenziyu_na_cha
stotnyj_diapazon_lte_54328/.
7. Основы проектирования антенных устройств СВЧ: В 2 ч. / В.Е. Ямайкин,
В.Н. Ковалев, В.Г. Маслов, А.В. Рунов. – Минск: ВИЗРТУ, 1972. – Ч.2.
8. Заїкін І.П., Тоцький О.В. Антени та пристрої НВЧ: Навч. Посібник до
курсового проектування. – В 4 ч. – Х.: ХАІ, 1994. – Ч.2.
9. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства.
М.: Сов. радио, 1974. 536 с.
10. Гроднев И.И., Шварцман О.О. Теория направляющих систем связи. – М.:
Связь, 1978.
11. Антенны и устройства СВЧ / Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.: Сов.
радио, 1972.
12. Сомов А. М., Старостин В. В., Кабетов Р. В. Антенно-фидерные устройства/
Издательство: Горячая линия-Телеком/2011 г./404 ст.
13. Тепляков І.Ю. Моделювання плазмової ребристо-стержневої антени / І.
Ю. Тепляков // Вісник / Львів. політехн. - Львів, 2018. - № 909: Радіоелектроніка
та телекомунікації. - С. 10-15 : рис. - Бібліогр. в кінці ст.
14. Бакулин М.Г. Технология MIMO: принципы и алгоритмы / М.Г. Бакулин,
Л.А. Варукина, В.Б. Крейнделин. – М.: Телеком, 2014. – 242 с.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 68
23.03.2026
15. Бугрова Т.І., Поляруш Д.А. Антена широкосмугового доступу до інтернету
з використанням технології MIMO // Тиждень науки-2019. Факультет
радіоелектроніки та телекомунікацій. Тези доповідей науковопрактичної
конференції, Запоріжжя, 15-19 квітня 2019 р. [Електронний ресурс] / Редкол.:
В.В. Наумик (відпов. ред.) Електрон. дані. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2019. – 1
електрон. опт.диск (DVD-ROM); 12 см. – Назва з тит. екрана. ISBN 978-617-529-
223-5. – С.22-23.
16. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства: учебник для ВУЗов
[Текст] / Г.Н Кочержевский и др. – М.: Радио и связь, 1989. – 352 с.
17. Бугрова Т.І., Баранов В.А. Роль метаматеріалів у конструкції MIMO антен //
Тиждень науки-2021. Факультет радіоелектроніки та телекомунікацій. Тези
доповідей науково-практичної конференції, Запоріжжя, 21-23 квітня 2021 р.
[Електронний ресурс] / Редкол.: В.В. Наумик (відпов. ред.) Електрон. дані. –
Запоріжжя: НУ ЗП, 2021. – 1 електрон. опт.диск (DVD-ROM); 12 см. – Назва з
тит. екрана.
18. Ільницький Л.Я., Савченко О.Я., Сібрук Л.В. «Антени та пристрої
надвисоких частот»: Підручник для ВНЗ/ За ред. Л.Я. Ільницького. – К:
Укртелеком, 2003. – 496с.
19. Красюк В.Н. Антенны с диэлектрическим покрытиями (особенносты
расчета и проектирования) – Л.: Судостроение, 1986. – 164 с.
20. Кюркчан А. Г. Связь между антеннами в присутствии ребристых структур /
Радиотехника и электроника. – 1985. – Т.22. – № 7. – С. 1362-1365.
21. Тихвинський В.О., Терентьєв С.В., Юрчук А.Б. «Сети мобильной связи
LTE: технологии та архитектура» Издательство Эко-Трендз, 277 с. 2010
22. Ільницький Л.Я., Сібрук Л.В., Щербина О.А. «Пристрої надвисоких частот
та антени»: Навч. посібник. – К: НАУ, 2013. – 188с.
23. https://znaimo.com.ua ст. Коефіцієнт підсилення антени ГОСТ 24375-80.
Радіозв'язок. Терміни та визначення.
24. https://www.ucrf.gov.ua/ua/services/centralized-registries
25. https://ansyshelp.ansys.com
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 69
23.03.2026
26. Гончаренко И. В. Антенны КВ и УКВ. Часть 4 – Направленные КВ антенны:
синфазные и продольного излучения. с. 80-120. Издательское предприятие
РадиоСофт. Москва. 2007
27. Зведена карта покриття мобільних операторів https://www.mobua.
Арк.
ТК006.021140.248 ПЗ
З Арк. № Підпис Дат 70