Ефективність вбудованих антен стільникових телефонів

Дискусії про якість роботи стільникових телефонів з різними типами антен досить регулярно з'являються у форумах, присвячених мобільного зв'язку, однак, як правило, всі обговорення закінчуються нічим. Вся справа в тому, що теорія малогабаритних антен дуже складна і досі не до кінця вивчена, незважаючи на свій вже більш ніж півстолітній вік, і спробувати прийти до якогось висновку, не маючи хоча б поверхневого уявлення про фундаментальні проблеми їх проектування, абсолютно нереально. Хотілося б зробити спробу окреслити основні аспекти використання та різні технології антен для абонентського обладнання стільникового зв'язку. Можливо ця інформація буде корисна тим, хто цікавиться питаннями якості зв'язку на більш серйозному рівні, ніж підрахунок кількості сегментів на індикаторі сили сигналу в мобільному телефоні. Розуміння деяких термінів зажадають початкових знань в області антен, допомогу можна пошукати в розділі посилань.

1. Легкий екскурс в історію

Перші системи стільникового зв'язку з'явилася у вісімдесятих роках минулого століття. Це були європейські NMT (1981) і GSM (1982) і штатівський AMPS (1983). Рівень технології того часу не дозволяв зробити телефонні апарати досить компактними, по-перше, через недосконалість елементної бази, а по-друге - через високого енергоспоживання і, відповідно, масивних акумуляторів. Як антен використовувалися добре відомі і максимально ефективні півхвильових, а пізніше - і чвертьхвильові (менш ефективні, але більш короткі) антени, які на той момент уже давно використовувалися у звичайній зв'язковою техніці. Аналогові стандарти зв'язку потребували високій якості приемопередающих радіочастотних блоків, бо покриття площі базовими станціями часто було недостатнім для сталої роботи апаратів в складних умовах прийому.

Минуло зовсім небагато часу - і ось вже цифрова та аналогова частини стільникових телефонів стали вміщатися в цілком компактний корпус і споживати відносно небагато енергії. До дев'яностих років цифрові системи стільникового зв'язку (GSM остаточно сформувався і свежепоявівшійся цифровий варіант AMPS - DAMPS) майже витіснили аналогові стандарти і якість радіоприймального тракту стало дещо менш важливим. Нові види модуляції, призначені для передачі цифрового сигналу були значно економічніше звичайної частотної і це призвело до зменшення вимог до ємності акумуляторів. Габарити телефонів стали стрімко зменшуватися. Антени спочатку стали висувними, а потім і зовсім перетворилися на так звані stubby-антени ("пеньки"). Обидва цих типу отгносятся до класу спіральних антен з поперечним випромінюванням (helical або NMHA - Normal-Mode Helical Antenna). Діаграма спрямованості подібних антен - кругова, але майже дорівнює нулю по вертикалі. Це найбільш підходящий варіант для стільникового телефону, бо в робочому режимі він практично завжди знаходиться в положенні з вертикально розташованої антеною.

Кінець дев'яностих років був відзначений двома значними нововведеннями в області стільникового зв'язку: початком активного дискутування про шкоду стільникових телефонів і появою телефонів з вбудованою антеною (насправді ці два нововведення були частково пов'язані між собою, чому - буде розказано нижче). Крім того, стільниковий телефон до цього часу вже перестав бути дорогою, малодоступною річчю і з'явилося розшарування на різні класи апаратів - бюджетні, бізнес та іміджеві моделі. Інфраструктура базових станцій ставала все більш і більш досконалої, кількість користувачів збільшувалося і до якості родючості телефонів стали ставитися з усе меншою увагою. Основний упор у розробці телефонів почав робитися (та й донині робиться) вже на функціональність, дешевизну проектування і виготовлення, і ергономічність, що призвело до масового поширення вбудованих антен. Майже всі нові моделі телефонів найбільших розробників і брендів стільникових апаратів вже забезпечуються вбудованою антеною. Поки абстрагуємося від комерційних аспектів дизайну мобільного телефона без зовнішньої антени, розглянемо плюси і мінуси вбудованих рішень з технічної точки зору.

2. Вбудовані антени - технології

Перші класичні роботи з дизайну малогабаритних антен датовані кінцем п'ятдесятих років минулого століття (1, 2). Проте вбудовані антени для гігагерцевого діапазону - це дуже молодий напрям практичних інженерних розробок. Різке збільшення популярності таких антен пов'язано не стільки з стільниковим зв'язком, скільки з бездротовими комп'ютерними технологіями. Вбудовування Bluetooth і різних модифікацій радіоезернет в ноутбуки і PDA ініціювало початок активної разаработкі маленьких антен. Крім внутрішніх технологічних груп великих корпорацій (Motorola, Siemens, різні розробники Wi-Fi обладнання), які мають великі фінансові можливості для R & D і розробляють технології в основному для використання у власних продуктах, за останні кілька років з'явлюся кілька незалежних компаній, що займаються аутсорсинговими розробками вбудовуваних антен, зокрема Centurion Wireless Technologies ( http://www.centurion.com ), SkyCross ( http://www.skycross.com ) і Ethertronics ( http://www.ethertronics.com ). На відміну від великих компаній, які не дуже афішують характеристики своїх розробок, молоді фірми щосили воюють на фронті піару, хвалячись високою ефективністю антен і військовим минулим розробок. На жаль статистики по використанню таких антен поки немає, оскільки застосування їх в серійних моделях телефонів ще не видно, а лабораторні дослідження самого розробника, представлені в рекламних матеріалах - це вкрай ненадійний джерело інформації. Виходячи з вищесказаного розглянемо тільки ті антени, які вже ставляться в мобільні телефони сьогоднішнього покоління.

Зараз у стільникових апаратах використовуються лише кілька типів вбудованих антен. Найбільш прості з них мають ефективність (відношення між випромінюваної і підводиться потужністю), близько 30-40 відсотків. Найбільш досконалі - так звані PIFA (Planar Inverted-F Antenna) - близько 65 відсотків (для порівняння - звичайна антена часто має ефективність понад 90 відсотків). Зауважу, що мається на увазі ефективність у вільному просторі (часто звана FS - Free Space, тобто в ідеальних умовах, без людини, що тримає трубку в руках). Антени класу PIFA при цьому застосовувати в малогабаритних телефонах досить проблематично, оскільки конструктив має досить велику товщину і площу. У реальних умовах (TP - Talk Position, коли людина тримає телефон рукою) характеристики антен можуть погіршитися в кілька разів.

Будь-які вбудовані антени мають кілька фундаментальних проблем, які для звичайних спіральних не настільки актуальні, і які змушені вирішувати всі розробники в рівній мірі. Перш за все це - складність моделювання під конкретний корпус і внутрішній конструктив телефону. Вплив внутрішньої компоновки на вбудовану антену може бути дуже значним, не кажучи вже про те, що часто телефон тримають при розмові майже в кулаці, закриваючи рукою всю його задню частину. Друга проблема - це використання спеціальних діелектричних матеріалів для регулювання коефіцієнта укорочення (при щільному контакті провідника з діелектриком довжина хвилі в ньому змінюється в залежності від коефіцієнта діелектричної проникності останнього - цей ефект використовується для зменшення фізичних розмірів резонатора). Подібна методика призводить до появи паразитних витоків (в спіральних антенах ця проблема набагато менш критична - там випромінююча частина знаходиться майже у вільному просторі). Всі вбудовані антени мають проблеми з ємністю і індуктивністю випромінювача - узгодження з виходом підсилювача є непростим завданням і також неминуче веде до втрат потужності.

Вкрай складною є проблема ефективності при роботі в декількох частотних смугах. Не вдаючись у подробиці відзначимо, що на даний момент розвитку технології вбудованих антен доводиться робити кілька антен на різні діапазони, а не одну, якщо апарату необхідно працювати з прийнятною ефективністю більше, ніж у двох діапазонах.

Ще однією проблемою вбудованих антен є їх спрямованість. З одного боку це добре - максимум випромінювання завжди спрямоване від голови розмовляє, якщо він говорить не по гарнітурі (як уже говорилося вище - це дуже гарне маркетингове підмога для телефонів з вбудованою антеною). З іншого боку, при не дуже хорошому покритті і при неоднаковому якості зв'язку з базовими станціями у всіх напрямках (у містах, наприклад у Москві, таких місць достатньо багато, принаймні - поки що) це часто призводить до випадання голоси розмовляє по стільниковому апарату з вбудованою антеною для абонента на іншому кінці лінії. Найцікавіше, що у зворотний бік ефект майже непомітний (бо передавачі базових станцій значно потужніше і антени, що використовуються в них, досить ефективні), тому, як правило, всі говорять про нормальній якості роботи свого апарату, оскільки самі співрозмовника чують майже завжди без проблем .

Але, незважаючи на все вищесказане, у вбудованих антен є одна велика перевага - вони подобаються покупцям.

3. Комерційні аспекти проектування стільникових телефонів

Трохи відвернемося від розмови безпосередньо про стільникових телефонах і поговоримо про сучасну високотехнологічної індустрії взагалі. Необхідно визнати, що вже близько десяти років основним фактором, який необхідно враховувати виробникові при проектуванні високотехнологічних виробів, є не якість конкретного виробу, а можливість швидкої розробки, дешевої збірки і високої частоти зміни моделей. Це стосується не тільки стільникових телефонів, а й будь-який інший непрофесійної аудіоапаратури - аудіотехніки, відеотехніки і т. п. Лише дуже небагато фірми в змозі оплачувати розробку високоякісної побутової радіоапаратури, як, приміром, Matsushita Electric (торгові марки Panasonic і Technics), Kenwood , Pioneer, Aiwa, які повністю або майже повністю припинили випуск якісних побутових звуковідтворювальних і радіоприймальних апаратів за останні десять років, зайнявши більш комерційно вигідну нішу апаратури на рік-два експлуатації з дуже дешевою схемотехнікою і комплектацією і це при тому, що апарати цих фірм восьмидесятих років є досить досконалими інженерними розробками. Зауважимо, що фірма Sony, яка крім побутової техніки випускає дуже багато професійної студійної апаратури, в змозі оплачувати розробку і випускати грамотні конструкції (зокрема частина апаратури серії ES), але навіть у цієї фірми проглядається тенденція до сильного спрощення своїх виробів. Рятує тільки загальний високий рівень розробки власної використовуваної в конструкціях елементної бази.

На ринку стільникових телефонів все те ж саме. Базовий набір компонентів для стільникових телефонів дає можливість спроектувати основну частину конструкції дуже швидко, висока ступінь інтеграції дозволяє зібрати апарат буквально з десятка мікросхем з кількома десятками дискретних елементів. Здешевлення виробництва вже дійшло до критичного мінімуму. Наприкінці двадцятого століття можна було спостерігати відхід з ринку, зміну пріоритетів і об'єднання компаній-виробників стільникових телефонів - конкурентна боротьба призвела до катастрофічного зниження цін і ті, хто вижили, зробили це за рахунок двох факторів: або максимальне здешевлення конструкцій телефонів (Siemens, Motorola ) або вдале позиціонування своїх телефонів як іміджевих (всі корейські фірми) із закликом змінювати телефони як можна частіше.

У першому випадку зниження собівартості досягається крайньої дешевизною корпусів, стандартизацією електроніки для всього модельного ряду і економією на розробці родючості, бо останнє - найбільш складна і дорога частина проектування стільникового телефону після написання firmware. У другому випадку основна частина вартості апарата - це камера, кольоровий дисплей, гонорари дизайнерам і т.п. і якість родючості в переважній більшості випадків просто не цікавить потенційного покупця, тому витрачатися на це немає ніякого сенсу.

При завоюванні купівельного попиту рекламою грають роль лише ті характеристики вироби, які зрозумілі пересічному потенційному його користувачеві, а параметри родючості ніяк не входять до їх числа. Ергономічне ж зручність телефону з вбудованою антеною очевидно, тому Nokia, за словами одного пожелавшнго залишитися невідомим співробітника компанії, прийняла стратегічне рішення взагалі не робити стільникових апаратів з зовнішніми антенами, незважаючи на явний програш технічний за характеристиками.

4. Кілька слів на закінчення або що нас може очікувати

Хочеться сподіватися, що розвиток високотехнологічних побутових пристроїв все ж перейде в стадію інтенсифікації, але в найближчому майбутньому розвиток точно буде екстенсивним. Напевно з'являться нові види вбудованих антен, які працюють більш ефективно, ніж сьогоднішні, проте якість зв'язку все ж, швидше за все, доведеться підвищувати більшою кількістю базових станцій, а не поліпшенням родючості самих стільникових апаратів. Телефони будуть мати все більшої функціональнстью, що наближається до повноцінних персональних комп'ютерів і багатими мультимедійними можливостями, але те, що є основою роботи стільникового апарата буде пропонувати все те ж "якість зв'язку, цілком достатня для умов міста" ...

PS: автор зовсім не проти вбудованих антен, просто коли виробники кажуть "наші вбудовані рішення нічим не поступаються зовнішнім" знайте - це неправда.

Використання матеріалів:

Chu LJ, "Physical limitations of Omni-Directional Antennas", Journal of Applied Physics, vol. 19, December 1948.
Wheeler HA, "Fundamental Limitations of Small Antennas", Proceedings of the IEEE, vol. 69, December 1947
Pekka Salonen, Miko Keskelammi, Lauri Sydanheimo "Antenna design for wearable applications", Tampere University of Technology
Lesly J. Reading "Designing Dual-Band Internal Antennas", EDN, 8 November 2001
Gary Legg "Embedded Antennas: Get the Signal", EDN, 8 August 2002

Деякі російськомовні матеріали по темі: