Prečo už na mobilných telefónoch nie sú vidieť antény?

6

OK, tak na rovinu. Prečo už z vášho smartfónu netrčí v hornej časti dlhočizná anténa, tak ako na telefónoch na konci 20. storočia? A prečo tam nie je ani ten malý dzindzík, ako mali telefóny na prelome storočí? Čo už moderné telefóny nemajú antény a fungujú na nejakú mágiu?

Možno práve teraz len tak strieľate od boku a hovoríte, že na modernejších smartfónoch a mobilných telefónoch nie sú vidieť antény vďaka miniaturizácii techniky. Veď to poznáme. Pri vlastnostiach čipov vidíme čoraz menšie číslo v rámci nanometrovej škály a zariadenia sú čoraz tenšie a výkonnejšie, pretože hardvér je skrátka čoraz menší a pritom má stále väčší výkon.

Je pravdou, že na zmene konštrukcie antén má svoj nemalý podiel aj stále lepšie a lepšie spracovania signálu v čoraz pokročilejších ovládacích čipoch. Ak si ale myslíte, že je to jediný a ten najdôležitejší faktor, mýlite sa. Základom tejto transformácie nie je ani tak pokrok v hardvéri a softvéri, ale úprava telekomunikačných štandardov a voľba frekvenčných pásiem.

Mobilné telefóny z 80. rokov minulého storočia

Kvôli čomuže to už tú anténu nevidím?

Rýchla odpoveď: Je to preto, že vďaka odlišnej frekvencii súčasných mobilných sietí môžu dnešné zariadenia s vysielacou vežou komunikovať na kratšej vlnovej dĺžke, na čo im stačí rozmerovo omnoho menšia anténa.

Presnejšia odpoveď s príbehom:

Aby sme pochopili to, prečo sa rozmer antén mohol takto výrazne zmeniť, musíte mať aspoň základnú predstavu o tom, čo to anténa vlastne fyzicky zachytáva.

Či už ide o signál rádia, televízie, mobilných sietí, Wi-Fi či Bluetooth, vo všetkých prípadoch ide o nejaké konkrétne kmitanie elektromagnetického poľa. Anténa teda zachytáva elektromagnetickú vlnu, ktorá má nejaký konkrétny fyzický rozmer.

Tento rozstup môže byť veľký desiatky centimetrov, metre či kilometre. Takisto môže byť však veľmi maličký a to na úrovni milimetrov, nanometrov, či pikometrov.  Od rozmeru sa odvíja to, ako dobre bude vlna prechádzať prekážkami, ako poškodí materiál s ktorým príde do styku a takisto ako veľké bude musieť byť zariadenie (anténa), ktoré oscilácie tohto poľa bude zachytávať.

Čím sú vlny menšie, tým majú ich vrcholy a údolia menší rozstup a teda tým častejšie sa opakujú za nejaký konkrétny čas. Označujeme to pojmom frekvencia a používame jednotku Hz, ktorá označuje prechod jednej vlnky (rýchlosťou svetla) za jednu sekundu. Frekvencia 100 Hz  je teda 100 takýchto vĺn za sekundu, kHz tisíc, MHz milión a GHz miliarda.

Napríklad väčšina súčasných bezdrôtových lokálnych sietí používa mikrovlnnú časť elektromagnetického spektra. Týmto menom označujeme vlny veľké 1 mm až 1 m, pričom konkrétne používame najčastejšie frekvenciu 2,4 GHz (12 cm rozstup vĺn), menej často 5 GHz (6 cm rozstup) a zatiaľ raritne aj 60 GHz (0,5 cm rozstup vĺn).

Čím vyššia frekvencia, tým častejšie vlna do materiálu „udiera“ svojimi vrcholmi, pretože je stále hustejšia. Potenciálne tak môže niesť viac informácii a doručiť ich tak rýchlejšie. Na druhú stranu, tým horšie prechádza prekážkami, pretože  jej vlny sa v materiáli doslova zaseknú.

Čo má všetka tá frekvencia do čerta dočinenia s anténami? Nuž, čím väčšia vlna je, tým väčšiu anténu na dobrý príjem a vysielanie takéhoto signálu potrebujeme. Ideálne by mala byť anténa veľká aspoň polovicu toho, aký je veľký vlnový rozstup frekvencie, ktorú sa snaží zachytiť. Čím menej tohto podielu bude mať, tým bude zachytávanie zložitejšie a tým náročnejšie a presnejšie budete musieť signál spracovávať, až to napokon nebude možné.

A ak potrebujete vysielať signál na úrovni len niekoľkých desiatok Hz, kde sú vlnové rozstupy veľké stovky až tisíce kilometrov, nuž, tak so si musíte pripraviť vskutku poriadku anténu. Takéto konštrukcie používa ruské či americké námorníctvo na celosvetový kontakt s nukleárnymi ponorkami plávajúcimi stovky metrov pod hladinou, pričom vysielacie antény dosahujú dĺžku až 65 km, čomu som sa venoval v Nedeľníku: Môžeme postaviť anténu veľkú ako svet?

Mobilné telefóny sú tu s nami už niekoľko desaťročí a prvý prototyp, ktorý sa dal držať v ruke a nebol súčasťou auta či iného zariadenia vyrobila Motorola v roku 1973. Telefón vážil 1,1 kg a mal rozmery podobné skutočnej tehle (23 × 13 × 4,4 cm).

Martin Cooper zo spoločnosti Motorola drží v ruke telefón, s ktorým 3. apríla 1973 uskutočnil prvý mobilný hovor na svete

Za komerčný štart prvej generácie analógových zariadení tohto typu sa dajú považovať telefóny japonskej spoločnosti Nippon (Nippon Denshin Denwa Kabushiki-gaisha) z roku 1979. Podobné stroje sa začali v 80. rokoch používať vo veľmi obmedzenej miere takisto v západnej Európe a USA.

Keď telekomunikačné úrady začali operátorom v 80. rokoch minulého storočia prideľovať frekvencie, ktoré mohli na mobilné siete využívať, prideľovali im obvykle 450 MHz (NMT-450 štandard) a 800 MHz pásma (AMPS štandard).

Rozstupy takýchto elektromagnetických vĺn sú v prvom prípade 66 cm a v tom druhom 37 cm a práve preto v tých veľmi starých mobilných telefónoch môžete vidieť zabudované antény, ktoré bolo treba vysúvať ako na starom rádiu.

Anténa v základe nie je ničím iným, než kusom kovu, ktorým táto vlna prechádza. Nutnosť tohto výsuvného tykadla bola skrátka daná tým, že bolo potrebné zachytiť relevantnú časť 66 cm vlny a vyprodukovať z nej merateľný elektrický signál, ktorý bolo pravdaže pri opačnom procese takisto potrebné vyslať z telefónu k mobilnej veži.

Telefóny z prelomu 20. a 21. storočia, kedy anténa postupne vymizla

Behom 90. rokov sa mobilné technológie čoraz rýchlejšie začali rozširovať a telekomunikačné spoločnosti začali od jednotlivých úradov získavať práva na čoraz vyššie frekvencie. V rámci 2G a štandardov GSM začali používať frekvencie v rozsahu 890 a 960 MHz (cca 32 cm vlna) a s príchodom 3G a UMTS už aj 1,9 a 2,2 GHz pásma (cca 14 cm vlna). Anténa sa tak mohla zmenšovať, až ju napokon bolo možné zabudovať celkom do zariadenia.

Hlavným ťahúňom vyšších frekvencií, ktoré opätovne prišli s príchodom 4G a LTE štandardov (2600 MHz a viac) je zväčšovanie rýchlosti dátového prenosu, v kombinácii s ďalšími signálovými technológiami.  Antény pritom môžu byť menšie a mať odlišnú konštrukciu, ktorá sa bez problémov zmestí aj do veľmi malých zariadení.

Ako dnes antény smartfónov teda vyzerajú?

Moderné smartfóny obvykle obsahujú 4 základné druhy antén. Ide o hlavnú celulárnu anténu mobilnej siete (príjem/vysielanie), rozdielovú celulárnu anténu mobilnej siete (príjem), anténu pre Wi-Fi a Bluetooth (príjem/vysielanie) a anténu pre GPS (príjem).

Okrem nich nájdeme v zariadeniach aj ďalšie konštrukcie, ktoré antény pripomínajú, ale v základe nimi nie sú. Ide hlavne o „antény“ pre NFC a bezdrôtové nabíjanie, v rámci ktorých sa uplatňuje mierne odlišná schéma princípu práce s magnetickými poľami a vyžaduje sa fyzická blízkosť zdroja či prijímača.

Jednotlivé antény sú obvykle usporiadané v konštrukcii smartfónov zhruba nasledovne:

Súčasné celulárne antény musia zvládať príjem mnohých frekvencií, pričom v rámci LTE ide jednak o nízkofrekvenčné pásma v rozsahu 700 až 960 MHz a takisto aj vysoko frekvenčné pásma v rozsahu 1710 až 2690 MHz. Aj keď z dôvodu vyššej dátovej priepustnosti sú používané hlavne tie vysoké, z hľadiska konštrukčného dizajnu sú kritickým prvkom tie nízke frekvencie. Ty si totiž, ako sme si už povedali, vyžadujú najväčší rozmer antén.

Keďže pri 800 a 700 MHz hovoríme už o 37, respektíve 42 cm vlnách, bezproblémový príjem si v základe vyžaduje 15 či 20 cm anténu. To je prakticky rozmer celého smartfónu. Z tohto vyplýva, že v rámci smartfónov a ich antén hrá rolu celá konštrukcia zariadenia. Anténa nie je teda len špecifický izolovaný prvok, v podobe pliešku či káblika, ale aj telo zariadenia ako také.

Využíva sa pri tom napríklad zadná kovová časť krytu alebo kovová bočná konštrukcia, či skrátka interné vodivé prepojenie. K nemu sú následne pripojené ramená antén, čo sú menšie vodivé časti, slúžiace na príjem vyšších frekvencií. Návrhári tak obvykle riešia anténu pre nízke frekvencie, ktorých signál je najzložitejšie prijať a následne už len anténu rozšíria o ramená pre vyššie frekvencie.

Na obrázku vyššie môžete vidieť ako vyzerajú horné ramená (Wi-Fi, Bluetooth, Rozdielová celulárna anténa)  a spodné ramená (Hlavná celulárna anténa) anténového systému smartfónov Galaxy S7 a S7 Edge. Ide o svetlé kovové časti, pričom časti konštrukcie sú schované aj v rámci plastu a patrí do nich aj obvodový rám.

To, že môže ísť aj o krkolomné tvary môžete vidieť na spodnom obrázku telefónu Nexus 5. V oboch prípadoch si vytvorenie zvyšku antény v rámci celej konštrukcie nepleťte s konštrukciami veľkých cievok bezdrôtového napájania, ktoré v prípade Galaxy presvitajú ako veľký kruh a v prípade Nexusu ako veľký štvorec vpravo.

Princíp antény zaberajúcej celé zaradenie si je možné dobre uvedomiť pri pohľade na kovový chrbát telefónu HTC či Apple. Pri takomto pohľade vám začnú už plastové prerušenia dávať dobrý zmysel a uvedomíte si, že nejde o nejaký kozmetický prvok, ktorý zlepšuje/zhoršuje vzhľad zariadenia.

V niektorých diskusiách a článkoch sa môžete stretnúť s nesprávnym popisom, že tieto prúžky sú anténa ako taká, čo je pravdaže nezmysel. Anténa nemôže byť plastová. To, čo tieto prúžky robia je, že oddeľujú samostatnú konštrukciu antény na kladný a záporný pól a takisto otvárajú miesto na dobrý pohyb elektromagnetického signálu, pretože kompletne uzavretá vodivá kovová konštrukcia by vyvolala efekt známy pod označením Faradayova klietka. Cez ňu by sa signál dnu a von skrátka nedostal.

Mnohé telefóny, ako napríklad Galaxy od Samsungu, alebo aj nové iPhony majú toto plastové prerušenie len po bokoch, pretože zadná strana nie je z kovu, ale z plastu a skla, prípadne z iných špecifických zmesí materiálov. To môžete dobre vidieť na obrázku nižšie. Na iPhone 8 je vidieť dobre aj to, ako plastové prerušenie v skutočnosti obkolesuje celý zadný kryt.

Práve tieto prúžky súviseli s anténovým problémom iPhonov 4, pri ktorých musel Steve Jobs na pódiu zákazníkom Apple absurdne vysvetľovať, že telefón „držia zle“. Problém však vychádzal z chybného návrhu antén niektorých konkrétnych variant týchto telefónov, pri ktorých používatelia nevedomky a pravdaže nechcene premosťovali toto plastové oddelenie vlastnou vodivou rukou, jednoduchým držaním smartfónu v spodnej časti pri telefonickom hovore.

Hlavná celulárna anténa, respektíve jej rameno, je na smartfónoch v drvivej väčšine prípadov v dolnej časti. V hornej nájdeme obvykle antény pre Wi-Fi/Bluetooth a GPS.

Na tomto obrázku môžete vidieť hornú konštrukciu antény smartfónu iPhone 6. Základom je samotné telo smartfónu, respektíve kovová obvodová konštrukcia, vyznačená žltou bodkovanou čiarou. Slúži ako súčasť antén rôzneho typu. Červeným krúžkom vľavo vidíte označenú časť, kam do nej vchádza kontakt vodiča 2,4 GHz antény určenej pre Wi-Fi, Bluetooth a takisto GPS. V zelenom bode je na ňu napojený čip rádiofrekvenčného tuneru a v oranžovom bode NFC.

Dobre si všimnite už spomenuté dva malé prúžky plastu, ktoré je vidieť vľavo aj vpravo na konci vyznačenej žltej časti. Takto teda anténa končí a takto je od zvyšku obvodového kovu telefónu oddelená.

Od antén smartfónov následne vedie koaxiálna kabeláž, čo sú obvykle dobre viditeľné drôtiky s kruhovým prierezom, ktoré môžete pekne vidieť napríklad na tomto obrázku útrob Samsung Galaxy S7 edge.

Kabeláž vedie k jednotlivým čipom na základnej doske, ktoré sa starajú o transformáciu prijatého elektrického signálu na relevantné dáta, alebo naopak. Prakticky žiadny výrobca smartfónov nie je ich výrobcom a obvykle ide o produkty firiem ako je napríklad Skyworks Solutions, hlavne v rámci spracovania signálu mobilnej siete a firiem ako Qualcomm a Broadcom, ktorých čipy obvykle obsluhujú spracovanie signálu antén pre Wi-Fi a Bluetooth.

V týchto miestach sa teda oscilácie elektromagnetického poľa premieňajú na skutočné dáta v podobe jedničiek a núl, ktoré sa po spracovaní zhmotňujú ako webová stránka ktorú práve čítate, ako hlas vašej priateľky v telefonickom hovore, video na YouTube, či textová správa v rámci jedného z komunikačných programov. Anténa však nikdy neoddychuje a elektromagnetické vlny v nej neustále pohupujú elektróny tak, ako sa prístavná bójka neustále pohybuje na hladine mora.

O autorovi

Profesionálnej žurnalistike sa venujem od roku 2006. Zameriavam sa najmä na prehľadové a analytické články z prostredia hardvéru, výrobných procesov polovodičov, umelej inteligencie a ďalších technológií. Mojou doménou je takisto servis hardvéru aj softvéru.

6 komentárov

    • František Urban on

      To je samozrejme pravda. To som prehnal korektúru pri prepisovaní čísiel do slovnej podoby a tisícka mi tam celkom vypadla. Ďakujem. Opravené.

Pridaj komentár

Objednajte si ročné predplatné TOUCHIT v limitovanej edícii
s bezdrôtovými slúchadlami a rúškom.
Kliknite a zistite viac>>