В предыдущей части мы говорили об антенных характеристиках, таких как КСВН и диаграмма направленности антенны, а также о том, что измеряются эти характеристики при помощи таких устройств как: векторный анализатор цепей (ВАЦ) и анализатор спектра. В этой части курса статей я хочу поделиться своим опытом проведения антенных измерений.
Как уже говорилось в первой части, векторный анализатор цепей используется для измерения КСВН и S-параметров. Но что нужно для измерения?
В основе работы ВАЦ лежит довольно простая идея: прибор подает на исследуемое устройство (антенну, кабель, фильтр и т. п.) известный тестовый сигнал и смотрит, что с ним происходит. Внутри анализатора есть источник гармонического сигнала, направленные ответвители и приемники, которые измеряют падающие, отраженные и прошедшие волны.
Базовая схема измерений выглядит так: исследуемое устройство (ИУ, или DUT – Device Under Test) размещается между двумя коаксиальными портами анализатора. Порт 1 подает сигнал, порт 2 принимает то, что прошло через ИУ. Отдельно измеряется то, что отразилось обратно в порт 1.
Теперь, когда мы разобрались, в принципе работы определим порядок измерений. Перед началом измерений требуется выбрать диапазон частот, провести калибровку и настроить какие именно параметры будет отображать измерительный прибор.
Думаю, с настройкой диапазона и выводимых параметров, сложности возникнут мало у кого, к тому же они отличаются в зависимости от конкретного устройства. А вот про калибровку проводить стоит более подробно.
Самым распространенным методом калибровки векторного анализатора цепей является метод SOLT. И вот порядок ее проведения:
1. Возьмите набор для калибровки он должен состоять из 50 Омой нагрузки, короткозамыкателя и разрыва. В некоторых наборах эти три меры объединены в один блок с переключением, в других – выполнены как отдельные элементы с теми же разъемами, что и у вашего измерительного тракта (N, SMA, BNC и т. п.).
2. Убедившись в фазостабильности измерительных кабелей и их работоспособности, подключите их к соответствующим портам. В данном случае нам нужно занять порт S1.
3. Проведите калибровку на разрыв. Подключите к концу измерительного кабеля первого порта элемент Open (разрыв, холостой ход).
4. Выполните калибровку с использованием короткозамыкателя (Short). Накрутите короткозамыкатель вместо эталонного разрыва и зафиксируйте реакцию порта.
5. Выполните калибровку на эталонную нагрузку (Load). Подключите 50‑омную нагрузку (Load) и зафиксируйте реакцию порта.
6. Если это необходимо, повторите пункты 3 – 5 для второго порта. После для полной двухпортовой калибровки после этого обычно добавляют измерение Thru – прямое соединение портов 1 и 2 через короткую перемычку с известными параметрами.
После проведения калибровки. Можно подключить ИУ либо к обоим портам (если это усилитель/фазовращатель и т. д.) или к одному, как в нашем случае с антенной. После этого выбираем что именно хотим увидеть, прибор сам покажет нужную характеристику.
Если векторный анализатор цепей отвечает на вопрос «сколько мощности попадает в антенну и как она согласована», то анализатор спектра помогает понять, «куда эта мощность в итоге уходит». С его помощью можно снять диаграмму направленности и оценить коэффициент усиления антенны в реальном эфире.
В результате получаются:
Для антенны как однопортового устройства нас в первую очередь интересует S11, а S21 используется, например, при измерениях кабелей, фильтров или трактов «антенна‑антенна».
Пример настройки измерений зависит от интерфейса устройства и конкретной спецификации, но как правило выводимый параметр после калибровки выводится сам при выборе.
Для измерения помимо самого анализатора спектра понадобятся:
1. Испытуемая антенна – Объект исследования.
2. Приемная антенна – эталонная антенна с известными характеристиками и диаграммой направленности. Часто для подобных исследований в качестве эталонов используются рупорные антенны.
3. Анализатор спектра – подключается к приемной антенне и позволяет рассматривать уровень сигнала в конкретный момент времени.
4. Генератор сигнала – нужен, чтобы подавать проверочный сигнал на антенну, а потом в эфир.
5. Механическая установка – Устройство из мачты, поворотного основания, штатив. Это устройство необходимо для вращения антенны при определении диаграммы направленности.
Для чистоты эксперимента измерительный стенд стоит располагать в безэховой камере. Это происходит в том числе чтобы исключить влияние посторонних источников эл. маг. волн, также нахождение в безэховой камере позволяет проводить как измерения в ближнем, так и в дальнем поле, корректируя настройки оборудования и способы проведения измерений. Граница между ближним и дальним полем зависит от размеров антенны и длины волны. Для больших антенн часто используют оценку.
где 
– характерный размер антенны, а 
– длина волны. В Ближней зоне обычно сканируют распределение поля вблизи антенны, а в дальней зоне снимают уже привычную диаграмму направленности и коэффициент усиления. Сконцентрируемся на измерениях в дальней зоне.
В самом базовом случае измерительные стенд представляет собой: исследуемую антенну, размещенную на механической установке и размещенную на некоторым расстоянии от нее приемную эталонную антенну, подключенную к анализатору спектра.
Снятие диаграммы направленности:
1. Фиксируем расстояние и ориентацию приемной антенны.
2. Устанавливаем измерительный стенд.
3. Настраиваем анализатор и генератор. (Обратите внимание, что центральная частота анализатора спектра должна быть такой же как частота на генераторе).
4. Выберите шаг по углу и последовательно поворачивайте антенну, на каждом шаге записывая уровень сигнала.
Полученные данные можно занести в таблицу и построить стандартную круговую зависимость.
Оценка коэффициента усиления:
Если у вас есть вторая эталонная антенна с известным усилением, стоит делать так:
1. Установить эталонную антенну на место испытуемой, оставить то же расстояние и ту же мощность передатчика. И замерить уровень сигнала на приемной стороне для эталона в направлении максимума.
2. После обратной замены снять те же самые показания с испытуемой антенной.
3. Рассчитать разницу уровней (в дБ) – это разница в усилении между антеннами.
То есть если уровень эталонной антенны выше, чем у испытуемой – ее ку выше.
Если известны:
;
;
между антеннами;
).то можно воспользоваться формулой радиосвязи и из измеренной принимаемой мощности 
оценить усиление испытуемой антенны 
.
Поляризация так же немало влияет на изменения и требует согласования. При этом есть потери на поляризацию. Если обе антенны линейные – убедитесь, что плоскости колебания совпадают. В случае конфигурации антенна с круговой поляризацией + антенна с линейной поляризацией – можно ожидать потери 20 -30 дБ.
Пример конкретных измерений антенны на ВАЦ и анализаторе спектра можно будет увидеть в третьей части статьи.
