3G интернет в удаленности от базовой станции с помощью тарелки и кофейной банки

Всем жителям Хабра — привет!

Суть этой статьи показать еще один вариант словить за уши Э/М волну в относительной глубинке для нужд доступа в интернет.
Если где-то точно такая конструкция уже мелькала, милости прошу ссылку, будет интересно сравнить и пообщаться.
Материал изложу в повествовательной форме, надеюсь, никого этим сильно не замучаю, всякие термины, если кто не знает, и прочие подробности можно смело пропускать, от этого суть поста сильно не изменится.

Постановка задачи

Интернет – штука полезная и нужная, с этим, думаю, поспорить сложно. И если проблем в городе с интернетом нет, то в деревне, где мне часто приходиться по семейным обстоятельствам бывать, есть определенные проблемы. Есть частный деревянный дом а-ля «хата» (место действия: РБ), из интернета в моей окрестности доступ предоставляют 3 оператора, но максимум – это лишь технология EDGE. До двух ближайших базовых станций (БС) около 3.5 и 7 км. Между домом и БС лес, но не вплотную. Хватило бы и EDGE, но загрузка этих станций от других соседних деревень, судя по скорости, такая, что можно «прятаться в картошку».
Вариант покупать готовое решение отпал сразу из соображений спортивного интереса.
Вдохновившись на одном из форумов удачным опытом парней, где использовалась спутниковая тарелка (она же «офсетная зеркальная антенна») и сам 3G модем в фокусе, решил что-то подобное смоделировать да скрутить.
Сразу скажу, что антенну с модемом хотелось закинуть на чердак, дабы не портила внешний вид дома (об этом ниже).

Шопинг, моделирование, измерения

Первым делом искал зеркало побольше. С жабой договорился на украинское зеркало «Харьков» с диаметром около 85 см, потому как на те, что я видел больше 1м, ценник уже как-то нелинейно взлетает.
По карте зоны покрытия операторов нашел, что до ближайшей точки с 3G около 21 км. Рельеф до БС — не горы, но леса, опять таки, хватает.

Первый опыт был зимой. Кронштейна не было, поэтому антенну пытался выставить, как приходилось. Ориентировочно выставил на предполагаемую БС с 3G, но как я ни крутил само зеркало и не ориентировал модем в зоне фокуса, нифига, пардон, не вышло. Хотя ширина диаграммы направленности (ДН) (если проще, то «ширина луча») на 2.1 ГГц довольно широкая, это не цифровое спутниковое ТВ на Ku диапазон, где попробуй еще «попади» в этот спутник.
Причины следующие. ДН в модеме по возможности рассчитывается изотропной, поэтому часть мощности уходит не на зеркало, а противоположную сторону, да и сама антеннка на плате модема по своей способности что-то слабое ловить оставляет желать лучшего, это логично. БС и антенну отделяет деревянный щит крыши, что также дает определенное ослабление. На эту тему даже наткнулся на интересную литературу, в основном по тематике сушки древесины. Довольно занимательно, но с кучей формул из электродинамики, характеризующих диэлектрические свойства «деревяшек». Из полезного, в первую очередь, это то, что коэффициент затухания зависит от ориентации волокон в доске по отношению к поляризации волны. Раньше как-то не задумывался, хотя тоже логично.
Но и тут не повезло: доски в щите все вертикально расположенные – максимум затухания.
В общем, возиться желание было, но возможности (на чердаке с ноутом на батарее долго не посидишь) и здоровья (температура –> к уличной => руки мерзнут) не было.

Немного в расстроенных чувствах, решил действовать по классической схеме: самодельный облучатель – в фокусе зеркала, от модема к облучателю – коаксиальный кабель.
По поводу облучателя были раздумья, что взять: некое подобие прямоугольного волновода, или круглого. Остановился на обычной жестяной банке. На западе именуется «Cantenna». Ничего оригинального, в интернете хватает опыта по сему чуду. Пробовал, как некоторые, просто в старую банку модем запихнуть в точке, где обычно ставится зонд в волноводе и таким образом облучать зеркало, тоже не увенчалось успехом.

В итоге, определив диаметр банки с условием распространения одной моды на своей частоте (~2.1 ГГц) в круглом волноводе, отправился в магазин с линейкой (!) за банкой. До этого еще пришлось немного в инете покапаться, на каких же частотах у нас развернута UMTS. Таки нашел необходимую на 10 см. в диаметре. Купил две, за что получил словесных люлей от родных, хотя покупал, вроде как, за свои. Кофе не дешевым оказался.

В довесок пришлось купить SMA разъем под гайку для того, чтобы банку от модема можно было отсоединять.
Промоделировал на компьютере антенную систему и облучатель отдельно, пошел кромсать банку. Вот здесь нужно быть довольно аккуратным с размерами: характеристики чувствительны к промахам.

На рисунке снизу показана модель банки, в которой находится наудачу приглянувшаяся медная трубка (толстенький сужающийся к низу цилиндр), запаянная на выводе SMA разъема.

Вот что вышло с моделированием (CST).
Коэффициент усиления по результатам моделирования: 22 дБи.
Далее показан общий вид всей офсетной антенны, которая многим знакома, + 3D ДН.

Характеристики самой антенны не измеряли, лишь КСВ на SMA разъеме непосредственно на банке. На графике кривые S11 (коэффициент отражения в дБ). Зеленая кривая – эксперимент (по идее, можно еще использовать на частотах 3.4, 4.5, 5.5 ГГц 😉 ).

Приятно удивлен, что совпало довольно точно. По мне, так КСВ хороший: вся мощность с раскрыва антенны идет в кабель (и наоборот).

Но тут началось самое печальное. По началу, хотелось использовать мною купленный когда-то в магазине Huawei E303, подпаявшись к нему непосредственно кабелем, т.к. модем без внешнего разъема.
Найдя на плате довольно мелкий разъем (U.FL, скорее всего), попытался запаять конец кабеля RG174 на его место, т.к. разъем для кабеля у нас в розничной торговле я даже пытаться не стал. Идея была, прямо скажу, идиотской – опыта мало, хотя пользовался паяльной станцией. Накрылся ВЧ тракт модема – стал этаким USB-microSD адаптером. На фото еще целехонек (фотка для справки кому-нибудь, авось интересно, искал в инете именно E303, не нашел).

Так ему: сколько же я с ним намучался с переводом в режим модема, а не сетевой карты, дабы уровень сигнала в цифрах увидеть (дошло даже до использование linux’a). Ну кое-как цифры получились.
Спустя время добрые люди подарили Huawei e173 с разъемом, но с выломанным USB штекером. Радостный, что сейчас отпаяю со старого разъем и припаяю в новый, обнаруживаю, что контактная площадка на плате на сигнальной паре сорвана, и под микроскопом удалось увидеть только точку переходной перемычки (via). «Везет». Но мир, опять таки, не без добрых людей: запаяли «волосок» МГТФ на эту перемычку (на удивление, припой схватился) и припаяли разъем. Модем заработал. Счастья были полные штаны. Теперь был нужен разъем CRC-9. После поездки на радио-рынок в Минске, единственное, что нашел, только кабель “CRC-9 – FME” (такой же, как на фотке снизу).
Пришлось перепаять FME на SMA.

Тестирование

Наконец-то летом настала пора протестировать, что получилось. В саду, под яблонями.
Слева на фотке сине-красная – банка кофе, на ней же скотчем примотан модем, от разъема на модеме к разъему на банке вышеупомянутый кабель. Справа на фотке другой ракурс. За холмиком сплошной лес.
Повертев антенну, нашел две точки. В одной сигнал похуже (результат программы MDMA), на уровне -103 дБм (лес ближе, либо канал хуже, или у БС антенны светят в мою сторону слабее, не разбирался), на второй получше -93дБм. Замечу, что это все с уровня земли! На второй фотке видно направление на вторую БС (расстояние чуть больше 20 км, если верить нетмониторщикам, за что им отдельное спасибо).

Тест скорости из-под дерева

К слову, очень забавно разговаривать по скайпу в видео режиме, сидя под яблоней.

Осталось взгромоздить это все на чердак. Но осталось решить еще одну проблему. Вести на чердак 220В не хотелось, дабы поставить роутер для запитки модема. Так как кабели USB длинные не дешевые (мне нужно было > 7 м), пришлось спаять USB удлинитель, используя витую пару (имел шанс купить SSTP 6 cat, жутко рад, ее и использовал для пущей надежности, хотя она тоже не дешевая). По поводу того, как сделать USB удлинитель из витой пары, информации в сети хватает. Просверлив дырку в потолке, спустил кабель в дом. Ну а там как фантазия позволит, хоть Wi-Fi.
Сигнал на чердаке плавает от -87дБм до -93дБм. Но это некритично.
Слева тест скорости на чердаке всей системы. А справа то, что давал модем сам по себе на чердаке от близстоящих БС (2G) (даже аська тормозила).

Фото с чердака. Сверху еще одна антенна — ДМВ (DVB-T). Часть фото, где окно, — щит, о котором речь шла выше.

И фото банки немного ближе. Нобелевку за скотч все же кто-нибудь получил, или нет?! Если нет, то это ужасный непорядок!

Надеюсь, кому-то информация будет полезна к размышлению и приблизит цивилизацию к вашему Богом забытому уголку. Прошу конструктивную критику в студию. Если есть вопросы, с радостью отвечу.