Радиосвязь, телекоммуникации, радиолокация, навигация – все эти области радиотехники не могут обойтись без такого компонента приёмо-передающего тракта, как антенны. Однако каждое применение требует свой тип антенны, при этом готовые решения редко соответствуют требованиям поставленной задачи.
При проектировании и настройке антенн мы «упираемся» в 2 группы задач: согласование с приёмо-передающим трактом и подбор реальных передающих характеристик излучателя в пространстве.
— К согласованию можно отнести входной импеданс, КСВН, и S-параметры (характеристики потерь на отражение, показывают в каком соотношении сигнал отразился обратно в канал связи).
— К реальным передающим характеристикам относятся: диаграмма направленности, коэффициент усиления, уровень побочных лепестков, уровень пикового сигнала.
И именно здесь в игру вступают два классических прибора: векторный анализатор цепей и анализатор спектра, которые помогают решить поставленные задачи.
Поговорим подробнее о согласовательных характеристиках антенны. Как отмечено ранее, к согласовательные характеристикам можно отнести входной импеданс, КСВН, и S- параметры. Давайте рассмотрим, как рассчитывается каждая из характеристик, от чего зависит и на что конкретно влияет. Начнем по порядку:
Входной импеданс антенны – это комплексное сопротивление ZAна ее клеммах, равное отношению напряжения к току. Оно состоит из активной RA и реактивной XA частей: ZA = RA + jXA. Для идеальной передачи энергии антенна должна быть согласована с волновым сопротивлением кабеля (чаще всего 50 Ом или 75 Ом).
Активная часть RA состоит из сопротивления излучения 
и сопротивления потерь Rпот. Сопротивление излучения — это энергия, которая уходит в эфир, а потери – нагрев материалов антенны.
Реактивная часть XA возникает из-за накопления энергии около антенны. В идеальном случае она должна быть равна нулю (резонанс), тогда антенна работает максимально эффективно и имеет чисто активное сопротивление.
При этом если у антенны и источника разный импеданс, то происходит рассогласование. Это рассогласование приводит к тому, что часть распространяемой энергии отражается от входа антенны и уходит обратно в тракт. Таким образом рассогласование и коэффициент отражения Γ(гамма) выражаются одним явлением, которое описывается формулой:
КСВН – коэффициент стоячей волны по напряжению. Показывает комплексное отношение излученного сигнала к отраженному. Идеальное значение параметра КСВН = 1, но в реальных системах получить такой параметр не удастся. Нормальным значением при решении инженерной задачи является КСВН, не превышающий 1,5 для всех предполагаемых несущих частот. КСВН антенны лучше всего указывает на какую частоту антенна согласована и насколько эффективно излучает сигнал. КСВН считается по формуле:
S-параметры по сути можно назвать математическим языком общения или матрицей распределения мощностей между всеми портами антенны. S-параметры представляют собой матрицу рассеяния, где каждый элемент определяется как отношение амплитуды выходящей волны в одном из портов к амплитуде падающей волны в конечном порту, при условии, что на остальных портах нет входящих волн. Например: элемент матрицы s21 показывает отношение амплитуды, выходящей из порта 2 волны, к амплитуде волны падающей на порт 1. Проще говоря:
И вот тут стоит отметить связь S-параметров и КСВН. Основная диагональ матрицы показывает отношение амплитуд на вход и выход для самого порта (то есть показывает его коэффициент отражения). S11 измеряемый на анализаторе цепей – это тот же 
, только измеренный и записанный как комплексный параметр, зависящий от частоты, что наглядно показывает связь параметров.
Все S‑параметры комплексные: у них есть модуль (амплитуда) и фаза, и они зависят от частоты.
Интерпретация для практики измерений антенн:
: вся мощность отражается, антенна фактически «закорочена» по излучению.
: отражается около 10% мощности, КСВН ≈ 2, возвратные потери 10 дБ – «терпимо, но не идеально».
: отражается ≈1%, КСВН ≈ 1,22 – хорошее согласование для большинства приложений.
При этом другие S – параметры также важны при расчете антенной системы. Например, S21 используют в экспериментах «антенна‑антенна»: одна антенна возбуждается, другая подключена к ВАЦ или приемнику, в таком случае этот параметр описывает связь между ними, показывает какую часть сигнала смогла принять приемная антенна относительно того, что было излучено передающей.
Как итог мы видим, что все эти параметры связаны, взаимозависимы и отражают понятие согласования антенны и фидерного тракта. Но если пренебречь согласованием, часть мощности просто не доберется до свободного пространства: она отразится обратно в передатчик, будет греть кабели и согласующие цепи, а иногда еще и портить линейность усилителя мощности, что недопустимо для хороших ППУ систем и радаров.
Все описанные выше параметры поможет измерить векторный анализатор цепей.
С согласованием антенн понятно, а что по излучению? С излучателем всё иначе. Если мы обратимся к физике и посмотрим на источник электромагнитного излучения – то первой физической моделью, которая всплывёт в памяти, является изотропный излучатель, его основная идея в том, что он излучает во все стороны одновременно и равномерно. Когда речь идет об антенне, то это нереализуемо в силу конструкционных особенностей и, как правило, не требуется. Суть большинства антенн, как устройства, сконцентрировать максимум мощности излучения в определенном направлении. Для того чтобы добиться желаемого результата нужно уметь работать с характеристиками усиления, диаграммой направленности и прочими параметрами антенн.
Диаграмма направленности представляет собой графическое представление испускаемого сигнала по углам испускания волн. Может отображаться как на круговой диаграмме, так и на стандартной координатной плоскости (в этом случае ось абсцисс обозначает угол испускания луча, а ось ординат уровень сигнала). Диаграмма направленности определяется распределением токов внутри тела антенны и ее геометрией: длина и ориентация вибраторов, отражатели, директора, форма патча, зеркало и облучатель и т.п. Визуально круговая диаграмма направленности может выглядеть по-разному, но всегда в ней выделяются 1–2 «лепестка» – это направления основного излучения (именно в этом направлении сигнал усиливается лучше всего). Одним из ключевых параметров диаграммы является ширина главного лепестка по уровню -3 дБ, то есть угол раскрытия, в пределах которого усиление падает не более чем на 3 дБ относительно максимального значения. Чем меньше этот угол, тем более узконаправленной считается антенна. По мимо основного есть «боковые лепестки» – участки, где антенна тоже излучает, но с меньшим усилением. Их уровень по отношению к максимуму (например, -20 дБ) важен для оценки помех и паразитного излучения в ненужных направлениях. В измерениях диаграмма направленности фактически получается, как набор уровней сигнала в разных направлениях при фиксированной мощности на входе антенны.
Коэффициент усиления антенны – показатель, отражающий разницу в уровнях излучаемого сигнала обозреваемой антенны и эталонной. Основная функция антенны – это не усиление сигнала, а перераспределение поведенной ко входному порту мощности для формирования луча. При расчете анионной системы коэффициент усиления излучателя служит одной из ключевых его характеристик, так как именно он определяет дойдет ли вообще сигнал до конкретного адресата.
Если игнорировать диаграмму направленности, антенна может честно отдавать мощность, но не туда, куда нужно: связь будет нестабильной, в нужном направлении уровень сигнала окажется ниже расчетного, а в ненужных направлениях – вырастут помехи для соседних систем.
Поэтому при работах с антенными системами (Проектирование приёмо-передающих устройств и сетевых трактов, радиоизмерений, научных исследований и т. д.) – от любительских конструкций до серийно-производимых моделей – приходится измерять и согласование, и характеристики излучения.
О методологии подобных измерений читайте в следующей публикации – «Антенны: Методика измерения антенных характеристик. Часть 2».
