Эффективность встроенных антенн сотовых телефонов

Дискуссии о качестве работы сотовых телефонов с различными типами антенн довольно регулярно появляются в форумах, посвящённых мобильной связи, однако, как правило, все обсуждения заканчиваются ничем. Всё дело в том, что теория малогабаритных антенн очень сложна и сих пор не до конца изучена, несмотря на свой уже более чем полувековой возраст, и попытаться прийти к какому-либо выводу, не имея хотя бы поверхностного представления о фундаментальных проблемах их проектирования, совершенно нереально. Хотелось бы сделать попытку обрисовать основные аспекты использования и различные технологии антенн для абонентского оборудования сотовой связи. Возможно эта информация будет полезна тем, кто интересуется вопросами качества связи на более серьёзном уровне, нежели подсчёт количества сегментов на индикаторе силы сигнала в мобильном телефоне. Понимание некоторых терминов потребуют начальных знаний в области антенн, помощь можно поискать в разделе ссылок.

1. Лёгкий экскурс в историю

Первые системы сотовой связи появилась в восьмидесятых годах прошлого века. Это были европейские NMT (1981) и GSM (1982) и штатовский AMPS (1983). Уровень технологии того времени не позволял сделать телефонные аппараты достаточно компактными, во-первых, из-за несовершенства элементной базы, а во-вторых - из-за высокого энергопотребления и, соответственно, массивных аккумуляторов. В качестве антенн использовались хорошо известные и максимально эффективные полуволновые, а позже – и четвертьволновые (менее эффективные, но более короткие) антенны, которые на тот момент уже давно использовались в обычной связной технике. Аналоговые стандарты связи нуждались в высоком качестве приёмопередающих радиочастотных блоков, ибо покрытие площади базовыми станциями часто было недостаточным для устойчивой работы аппаратов в сложных условиях приёма.

Прошло совсем немного времени - и вот уже цифровая и аналоговая части сотовых телефонов стали умещаться во вполне компактный корпус и потреблять относительно немного энергии. К девяностым годам цифровые системы сотовой связи (окончательно сформировавшийся GSM и свежепоявившийся цифровой вариант AMPS - DAMPS) почти вытеснили аналоговые стандарты и качество радиоприёмного тракта стало несколько менее важным. Новые виды модуляции, предназначенные для передачи цифрового сигнала были значительно экономичнее обычной частотной и это привело к уменьшению требований к ёмкости аккумуляторов. Габариты телефонов стали стремительно уменьшаться. Антенны сначала стали выдвижными, а потом и вовсе превратились в так называемые stubby-антенны (“пеньки”). Оба этих типа отгносятся к классу спиральных антенн с поперечным излучением (helical или NMHA - Normal-Mode Helical Antenna). Диаграмма направленности подобных антенн – круговая, но почти равна нулю по вертикали. Это наиболее подходящий вариант для сотового телефона, ибо в рабочем режиме он практически всегда находится в положении с вертикально расположенной антенной.

Конец девяностых годов был отмечен двумя значительными нововведениями в области сотовой связи: началом активного дискутирования о вреде сотовых телефонов и появлением телефонов со встроенной антенной (в действительности эти два нововведения были отчасти связаны между собой, почему – будет рассказано ниже). Кроме того, сотовый телефон к этому времени уже перестал быть дорогой, малодоступной вещью и появилось расслоение на различные классы аппаратов – бюджетные, бизнес и имиджевые модели. Инфраструктура базовых станций становилась всё более и более совершенной, количество пользователей увеличивалось и к качеству радиочасти телефонов стали относиться со всё меньшим вниманием. Основной упор в разработке телефонов начал делаться (да и по сей день делается) уже на функциональность, дешевизну проектирования и изготовления, и эргономичность, что привело к массовому распространению встроенных антенн. Почти все новые модели телефонов крупнейших разработчиков и брендов сотовых аппаратов уже снабжаются встроенной антенной. Пока абстрагируемся от коммерческих аспектов дизайна мобильного телефона без внешней антенны, рассмотрим плюсы и минусы встроенных решений с технической точки зрения.

2. Встроенные антенны – технологии

Первые классические работы по дизайну малогабаритных антенн датированы концом пятидесятых годов прошлого века (1, 2). Тем не менее встроенные антенны для гигагерцевого диапазона – это очень молодое направление практических инженерных разработок. Резкое увеличение популярности таких антенн связано не столько с сотовой связью, сколько с беспроводными компьютерными технологиями. Встраивание Bluetooth и различных модификаций радиоэзернета в ноутбуки и PDA инициировало начало активной разаработки маленьких антенн. Помимо внутренних технологических групп крупных корпораций (Motorola, Siemens, различные разработчики Wi-Fi оборудования), которые имеют большие финансовые возможности для R&D и разрабатывают технологии в основном для использования в собственных продуктах, за последние несколько лет появлись несколько независимых компаний, занимающихся аутсорсинговыми разработками встраиваемых антенн, в частности Centurion Wireless Technologies (http://www.centurion.com), SkyCross (http://www.skycross.com) и Ethertronics (http://www.ethertronics.com). В отличие от крупных компаний, которые не очень афишируют характеристики своих разработок, молодые фирмы вовсю воюют на фронте пиара, хвалясь высокой эффективностью антенн и военным прошлым разработок. К сожалению статистики по использованию таких антенн пока нет, поскольку применения их в серийных моделях телефонов ещё не видно, а лабораторные исследования самого разработчика, представленные в рекламных материалах – это крайне ненадёжный источник информации. Исходя из вышесказанного рассмотрим только те антенны, которые уже ставятся в мобильные телефоны сегодняшнего поколения.

Сейчас в сотовых аппаратах используются всего несколько типов встроенных антенн. Наиболее простые из них имеют эффективность (отношение между излучаемой и подводимой мощностью) около 30-40 процентов. Наиболее совершенные – так называемые PIFA (Planar Inverted-F Antenna) – около 65 процентов (для сравнения – обычная антенна часто имеет эффективность более 90 процентов). Замечу, что имеется в виду эффективность в свободном пространстве (часто называемая FS – Free Space, т.е. в идеальных условиях, без человека, держащего трубку в руках). Антенны класса PIFA при этом применять в малогабаритных телефонах довольно проблематично, поскольку конструктив имеет достаточно большую толщину и площадь. В реальных условиях (TP - Talk Position, когда человек держит телефон рукой) характеристики антенн могут ухудшиться в несколько раз.

Любые встроенные антенны имеют несколько фундаментальных проблем, которые для обычных спиральных не столь актуальны, и которые вынуждены решать все разработчики в равной мере. Прежде всего это – сложность моделирования под конкретный корпус и внутренний конструктив телефона. Влияние внутренней компоновки на встроенную антенну может быть очень значительным, не говоря уж о том, что часто телефон держат при разговоре почти в кулаке, закрывая рукой всю его заднюю часть. Вторая проблема – это использование специальных диэлектрических материалов для регулировки коэффициента укорочения (при плотном контакте проводника с диэлектриком длина волны в нём меняется в зависимости от коэффициента диэлектрической проницаемости последнего – этот эффект используется для уменьшения физических размеров резонатора). Подобная методика приводит к появлению паразитных утечек (в спиральных антеннах эта проблема гораздо менее критична – там излучающая часть находится почти в свободном пространстве). Все встроенные антенны имеют проблемы с ёмкостью и индуктивностью излучателя – согласование с выходом усилителя является непростой задачей и также неизбежно ведёт к потерям мощности.

Крайне сложной является проблема эффективности при работе в нескольких частотных полосах. Не вдаваясь в подробности отметим, что на данный момент развития технологии встроенных антенн приходится делать несколько антенн на разные диапазоны, а не одну, если аппарату необходимо работать с приемлемой эффективностью более, чем в двух диапазонах.

Ещё одной проблемой встроенных антенн является их направленность. С одной стороны это хорошо – максимум излучения всегда направлено от головы разговаривающего, если он говорит не по гарнитуре (как уже говорилось выше – это очень хорошее маркетинговое подспорье для телефонов со встроенной антенной). С другой стороны, при не очень хорошем покрытии и при неодинаковом качестве связи с базовыми станциями во всех направлениях (в городах, к примеру в Москве, таких мест достаточно много, по крайней мере - пока) это часто приводит к выпадению голоса разговаривающего по сотовому аппарату с встроенной антенной для абонента на другом конце линии. Самое забавное, что в обратную сторону эффект почти незаметен (ибо передатчики базовых станций значительно мощнее и антенны, используемые в них, достаточно эффективны), поэтому, как правило, все говорят о нормальном качестве работы своего аппарата, поскольку сами собеседника слышат почти всегда без проблем.

Но, несмотря на всё вышесказанное, у встроенных антенн есть одно большое достоинство – они нравятся покупателям.

3. Коммерческие аспекты проектирования сотовых телефонов

Немного отвлечёмся от разговора непосредственно о сотовых телефонах и поговорим о современной высокотехнологичной индустрии вообще. Необходимо признать, что уже около десяти лет основополагающим фактором, который необходимо учитывать производителю при проектировке высокотехнологичных изделий, является не качество конкретного изделия, а возможность быстрой разработки, дешёвой сборки и высокой частоты смены моделей. Это касается не только сотовых телефонов, но и любой другой непрофессиональной аудиоаппаратуры – аудиотехники, видеотехники и т. п. Лишь очень немногие фирмы в состоянии оплачивать разработку высококачественной бытовой радиоаппаратуры, как, к примеру, Matsushita Electric (торговые марки Panasonic и Technics), Kenwood, Pioneer, Aiwa, которые полностью или почти полностью прекратили выпуск качественных бытовых звуковоспроизводящих и радиоприёмных аппаратов за последние десять лет, заняв более коммерчески выгодную нишу аппаратуры на год-два эксплуатации с очень дешёвой схемотехникой и комплектацией и это при том, что аппараты этих фирм восьмидесятых годов являются достаточно совершенными инженерными разработками. Заметим, что фирма Sony, которая помимо бытовой техники выпускает очень много профессиональной студийной аппаратуры, в состоянии оплачивать разработку и выпускать грамотные конструкции (в частности часть аппаратуры серии ES), но даже у этой фирмы просматривается тенденция к сильному упрощению своих изделий. Спасает только общий высокий уровень разработки собственной используемой в конструкциях элементной базы.

На рынке сотовых телефонов всё то же самое. Базовый набор компонентов для сотовых телефонов даёт возможность спроектировать основную часть конструкции очень быстро, высокая степень интеграции позволяет собрать аппарат буквально из десятка микросхем с несколькими десятками дискретных элементов. Удешевление производства уже дошло до критического минимума. В конце двадцатого века можно было наблюдать уход с рынка, смену приоритетов и объединения компаний-производителей сотовых телефонов – конкурентная борьба привела к катастрофическому снижению цен и те, кто выжили, сделали это за счёт двух факторов: либо максимальное удешевление конструкций телефонов (Siemens, Motorola) или удачное позиционирование своих телефонов как имиджевых (все корейские фирмы) с призывом менять телефоны как можно чаще.

В первом случае снижение себестоимости достигается крайней дешевизной корпусов, стандартизацией электроники для всего модельного ряда и экономией на разработке радиочасти, ибо последнее - наиболее сложная и дорогостоящая часть проектирования сотового телефона после написания firmware. Во втором случае основная часть стоимости аппарата – это камера, цветной дисплей, гонорары дизайнерам и т.п. и качество радиочасти в подавляющем большинстве случаев просто не интересует потенциального покупателя, поэтому тратиться на это нет никакого смысла.

При завоевании покупательского спроса рекламой играют роль лишь те характеристики изделия, которые понятны среднестатистическому потенциальному его пользователю, а параметры радиочасти никак не входят в их число. Эргономическое же удобство телефона со встроенной антенной очевидно, поэтому Nokia, по словам одного пожелавшнго остаться неизвестным сотрудника компании, приняла стратегическое решение вообще не делать сотовых аппаратов с внешними антеннами, несмотря на явный технический проигрыш по характеристикам.

4. Несколько слов в заключение или что нас может ожидать

Хочется надеятся, что развитие высокотехнологичных бытовых устройств всё же перейдёт в стадию интенсификации, но в ближайшем будущем развитие точно будет экстенсивным. Наверняка появятся новые виды встроенных антенн, работающие более эффективно, чем сегодняшние, однако качество связи всё же, скорее всего, придётся повышать бОльшим количеством базовых станций, а не улучшением радиочасти самих сотовых аппаратов. Телефоны будут обладать всё большей функциональнстью, приближающейся к полноценным персональным компьютерам и богатыми мультимедийными возможностями, но то, что является основой работы сотового аппарата будет предлагать всё то же “качество связи, вполне достаточное для условий города”...

P.S.: автор совсем не против встроенных антенн, просто когда производители говорят “наши встроенные решения ничем не уступают внешним ” знайте – это неправда.

Использованые материалы:

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

Некоторые русскоязычные материалы по теме: