Коэффициент стоячей волны (КСВ). Что за зверь? (Копировать) #

Коэффициент стоячей волны показывает, какая часть мощности отражается от антенны и возвращается в передатчик. В статье разобраны связь этого коэффициента с сопротивлением антенны, пересчёт в обратные потери и потери рассогласования, полоса пропускания типовых антенн, влияние кабеля и порядок измерения антенным анализатором.

Антенна согласована с передатчиком только тогда, когда её входное сопротивление равно волновому сопротивлению фидера. На практике равенство выполняется лишь приблизительно и только в ограниченной полосе частот, поэтому часть мощности падающей волны отражается от антенны и движется обратно к передатчику. Отношение наибольшего напряжения к наименьшему вдоль линии передачи получило название коэффициента стоячей волны (КСВ). Эта величина служит основным показателем качества согласования в радиолиниях беспилотных воздушных судов, потому что она измеряется простыми приборами и напрямую связана с потерями мощности.

Для внешнего пилота коэффициент стоячей волны важен не сам по себе, а как источник трёх практических следствий. Первое следствие состоит в потере мощности: при КСВ 2 в антенну уходит около 89 % подведённой мощности, остальное возвращается в тракт. Второе следствие связано с тепловым режимом выходного каскада: отражённая волна складывается с падающей, повышает напряжение на элементах усилителя мощности и может включить защиту. Третье следствие касается дальности: потеря даже половины децибела сокращает дальность связи примерно на шесть процентов, и в линии, работающей на пределе, такая величина оказывается заметной.

Ниже последовательно разобраны физическая причина отражения, формулы пересчёта между КСВ и другими характеристиками согласования, типичные значения входного сопротивления для антенн, встречающихся на борту, зависимость полосы пропускания от добротности, влияние кабеля и порядок измерения. Все числовые значения получены расчётом по формулам, приведённым в приложении, и могут быть воспроизведены для других частот и других антенн.

1. Откуда берётся отражённая волна

Линия передачи, соединяющая передатчик с антенной, характеризуется волновым сопротивлением. Это не то сопротивление, которое показывает омметр, а отношение напряжения к току в бегущей волне: у коаксиального кабеля с полиэтиленовой изоляцией, применяемого в радиолиниях беспилотных воздушных судов, оно составляет 50 Ом. Пока волна распространяется по однородной линии, её энергия движется в одном направлении, и никакого отражения не возникает.

1.1. Граница между линией и нагрузкой

Отражение появляется в месте, где волновое сопротивление линии перестаёт совпадать с сопротивлением нагрузки. Антенна для линии представляет собой нагрузку с комплексным входным сопротивлением \( \color{Teal} Z = R + jX \), где активная часть \( \color{Teal} R \) отвечает за излучение и потери, а реактивная часть \( \color{Teal} X \) — за запасённую в ближнем поле энергию. Часть падающей волны входит в антенну, часть отражается, и соотношение между ними определяется коэффициентом отражения:

\( \color{Teal} \Gamma = \frac{Z - Z_0}{Z + Z_0} \)

где \( \color{Teal} Z_0 \) — волновое сопротивление линии. Формула показывает, что отражение отсутствует только при точном равенстве сопротивлений. Если сопротивление антенны чисто активное, коэффициент отражения становится действительным числом и вычисляется по разности сопротивлений. Полуволновой диполь имеет сопротивление около 73 Ом, поэтому для линии 50 Ом коэффициент отражения равен \( \color{Teal} (73 - 50)/(73 + 50) = 0{,}187 \). Петлевой вибратор с сопротивлением 300 Ом даёт коэффициент \( \color{Teal} (300 - 50)/(300 + 50) = 0{,}714 \), то есть отражает более половины амплитуды падающей волны.

Отражённая волна уносит обратно долю мощности, равную квадрату модуля коэффициента отражения:

\( \color{Teal} P_{\text{отр}} = |\Gamma|^2 P_{\text{пад}} \)

Для диполя это 3,5 %, для петлевого вибратора — 51 %, для антенны с сопротивлением 50 Ом — ноль. Знак коэффициента отражения при этом не важен: мощность зависит только от модуля, а знак указывает на фазу отражённой волны, то есть на то, в какой точке линии окажется максимум напряжения.

Причину отражения удобно описать через граничные условия. Напряжение и ток должны быть непрерывны в точке соединения линии и антенны, а отношение напряжения к току в линии фиксировано волновым сопротивлением. Если антенна требует другого отношения, линия не может обеспечить непрерывность одним падающим колебанием, и в ней появляется второе колебание, распространяющееся в обратном направлении. Сумма двух колебаний даёт на границе требуемое отношение напряжения к току. Чем сильнее различаются сопротивления, тем больше амплитуда обратного колебания.

Отражённая мощность не исчезает. Она движется к передатчику, частично рассеивается в кабеле и разъёмах, а остаток попадает в выходной каскад. В транзисторном усилителе мощности отражённая волна повышает напряжение на стоке и может вывести транзистор из строя, поэтому современные передатчики содержат схему защиты, которая снижает выходную мощность при превышении порога. Для внешнего пилота это проявляется как падение дальности при исправной на вид аппаратуре: причиной служит не помеха, а срабатывание защиты из-за рассогласования.

Значение 50 Ом выбрано исторически как компромисс между двумя требованиями. Линия с малым волновым сопротивлением выдерживает большую мощность, но имеет высокие потери, линия с большим сопротивлением имеет низкие потери, но хуже держит напряжение. Минимум произведения потерь на мощность приходится на сопротивление около 30 Ом, а оптимум по потерям для воздушной линии лежит около 77 Ом. Величина 50 Ом оказалась между этими значениями и закрепилась в аппаратуре связи, тогда как в телевизионной технике осталось 75 Ом.

1.2. Стоячая волна вдоль линии

Падающая и отражённая волны распространяются навстречу друг другу и складываются. В точках, где фазы совпадают, напряжения суммируются, в точках, где фазы противоположны, — вычитаются. В результате вдоль линии устанавливается распределение напряжения с чередующимися максимумами и минимумами, которое называют стоячей волной. Расстояние между соседними максимумами равно половине длины волны в линии, а положение максимумов зависит от фазы коэффициента отражения, то есть от расстояния до антенны.

Рисунок 2 позволяет увидеть главное свойство стоячей волны: расстояние между соседними максимумами равно половине длины волны, а не целой волне, потому что волны движутся навстречу друг другу. Огибающая при этом остаётся неподвижной, а сами колебания внутри огибающей перемещаются.

Отношение наибольшего напряжения к наименьшему вдоль линии и называется коэффициентом стоячей волны:

\( \color{Teal} \text{КСВ} = \frac{U_{\max}}{U_{\min}} = \frac{1 + |\Gamma|}{1 - |\Gamma|} \)

При отсутствии отражения огибающая горизонтальна, наибольшее и наименьшее напряжения совпадают, и КСВ равен единице. При полном отражении минимум обращается в ноль, отношение становится бесконечно большим, а линия перестаёт передавать мощность в нагрузку. Все реальные случаи лежат между этими крайностями.

Периодичность стоячей волны удобно использовать при измерениях. Полуволна на частоте 2,4 ГГц составляет 62,5 мм в свободном пространстве и примерно 41 мм в кабеле с коэффициентом укорочения 0,66; на частоте 5,8 ГГц эти величины равны 25,8 мм и 17 мм. Поэтому смещение антенны или руки оператора на расстояние порядка сантиметра заметно меняет положение максимумов, хотя само значение КСВ при этом остаётся прежним.

Распределение напряжения вдоль линии можно измерить непосредственно. Для этого в линии делают продольную щель, вдоль которой перемещают зонд, связанный с вольтметром высокой частоты; по положению зонда отсчитывают расстояние, по показаниям — напряжение. Такой прибор называется измерительной линией. Современные анализаторы получают ту же информацию косвенно: они измеряют комплексный коэффициент отражения в плоскости подключения и пересчитывают его в распределение напряжения для любой точки линии, если известно затухание и коэффициент укорочения кабеля.

Из распределения напряжения извлекается ещё одна величина — коэффициент бегущей волны, равный отношению наименьшего напряжения к наибольшему. Он связан с КСВ обратным соотношением: \( \color{Teal} \text{КБВ} = 1/\text{КСВ} \). В отечественной литературе прошлых десятилетий коэффициент бегущей волны применялся наравне с КСВ, в современной технической документации используется преимущественно КСВ.

2. Термины и сокращения

Таблица 1. Термины и сокращения, используемые в статье

Термин или сокращение	Полная форма и пояснение
Коэффициент стоячей волны (КСВ)	отношение наибольшего напряжения к наименьшему вдоль линии передачи; в англоязычной литературе обозначается VSWR
Коэффициент отражения	комплексная величина, равная отношению отражённой волны к падающей в данной плоскости
Волновое сопротивление	отношение напряжения к току в бегущей волне линии; для применяемых в радиолиниях кабелей составляет 50 Ом
Входное сопротивление антенны	комплексное сопротивление \( \color{Teal} Z = R + jX \) в точках питания антенны
Активная часть сопротивления	величина \( \color{Teal} R \), определяющая мощность излучения и потерь в антенне
Реактивная часть сопротивления	величина \( \color{Teal} X \), определяющая запасённую в ближнем поле энергию и сдвиг фаз между напряжением и током
Обратные потери	величина в децибелах, показывающая, во сколько раз падающая мощность больше отражённой
Потери рассогласования	часть подведённой мощности, которая не попадает в антенну из-за отражения
Добротность антенны (Q)	отношение резонансной частоты к ширине полосы пропускания; чем выше добротность, тем уже полоса
Фидер	линия передачи от передатчика к антенне, в состав которой входят кабель и разъёмы
Антенный анализатор	прибор, измеряющий коэффициент отражения и КСВ в полосе частот
Направленный ответвитель	устройство, выделяющее из линии волну одного направления — падающую или отражённую
Беспилотное воздушное судно (БВС)	воздушное судно, управляемое внешним пилотом без нахождения на борту
Беспилотная авиационная система (БАС)	комплекс, включающий беспилотное воздушное судно, аппаратуру управления и средства обеспечения

3. Связь коэффициента стоячей волны с сопротивлением

Коэффициент отражения содержит полную информацию о согласовании: из него получаются и КСВ, и обратные потери, и потери рассогласования. Поэтому все величины, описывающие качество согласования, пересчитываются друг в друга без дополнительных измерений.

3.1. Пересчёт между коэффициентом отражения и КСВ

Прямой пересчёт выполняется по формуле, приведённой в разделе 1.2. Обратный пересчёт получается алгебраическим преобразованием:

\( \color{Teal} |\Gamma| = \frac{\text{КСВ} - 1}{\text{КСВ} + 1} \)

Формула показывает, что связь между величинами нелинейная. При изменении КСВ от 1,0 до 2,0 модуль коэффициента отражения возрастает от нуля до одной трети, при изменении от 2,0 до 5,0 — до двух третей, а дальнейший рост КСВ к бесконечности приближает модуль к единице. Именно поэтому значения КСВ выше десяти на практике почти не различаются: все они означают, что мощность в антенну практически не поступает.

Для комплексного сопротивления расчёт выполняется в два действия: сначала по формуле из раздела 1.1 находится коэффициент отражения как комплексное число, затем вычисляется его модуль и подставляется в формулу КСВ. Реактивная часть сопротивления влияет на КСВ так же, как и отклонение активной части: антенна с сопротивлением \( \color{Teal} 50 + j25 \) Ом в линии 50 Ом имеет КСВ около 1,6, хотя её активная часть точно равна волновому сопротивлению. Это значит, что настройка антенны по активной составляющей без учёта реактивной не даёт полного согласования.

3.2. Окружности равного КСВ на плоскости отражения

Коэффициент отражения изображается точкой на комплексной плоскости: по горизонтальной оси откладывается действительная часть, по вертикальной — мнимая. Все точки, соответствующие одинаковому КСВ, лежат на окружности с центром в начале координат, а радиус окружности равен модулю коэффициента отражения. Граница круга единичного радиуса отвечает полному отражению.

Это свойство объясняет важное практическое наблюдение: КСВ не зависит от длины кабеля, если кабель идеальный. Меняется только фаза отражённой волны, то есть положение максимумов и минимумов стоячей волны на линии. Реальный кабель вносит потери, и именно они, а не длина линии, занижают измеренное значение.

Радиусы окружностей для характерных значений КСВ составляют 0,20 при КСВ 1,5; 0,33 при КСВ 2,0; 0,50 при КСВ 3,0 и 0,67 при КСВ 5,0. На рисунке видно, что диполь с сопротивлением 73 Ом попадает внутрь окружности КСВ 2, петлевой вибратор с сопротивлением 300 Ом выходит за окружность КСВ 5, а патч с сопротивлением 50 Ом оказывается точно в центре. Такая диаграмма удобна тем, что позволяет оценивать согласование нескольких антенн без вычислений: достаточно сравнить положение точек.

Правая полуплоскость соответствует активной части сопротивления больше волнового, левая — меньше. Антенны с сопротивлением ниже 50 Ом попадают в левую полуплоскость, антенны с сопротивлением выше 50 Ом — в правую. Этот признак полезен при выборе способа согласования: для низкоомных антенн применяют последовательную индуктивность или трансформатор с повышением сопротивления, для высокоомных — трансформатор с понижением.

Плоскость коэффициента отражения связана с круговой диаграммой полных сопротивлений, на которой работают разработчики согласующих цепей. Окружности равного КСВ остаются на этой диаграмме концентрическими, а добавление последовательной или параллельной реактивности перемещает точку по дуге, не меняя активной части сопротивления. Согласование сводится к тому, чтобы двумя такими перемещениями привести точку в центр диаграммы. Для антенны радиолинии чаще применяют готовые согласующие цепочки из двух элементов, которые рассчитывают на рабочую частоту и проверяют по кривой КСВ.

3.3. Что коэффициент стоячей волны не показывает

Первое ограничение связано с потерями в самой антенне. Сопротивление 50 Ом может быть обеспечено как излучением, так и нагревом проводника или диэлектрика. Антенна, у которой половина активного сопротивления приходится на потери, даст идеальный КСВ и отдаст в эфир половину подведённой мощности. Коэффициент стоячей волны этого не покажет, потому что измеряется отражение на входе, а не доля излучения.

Второе ограничение связано с отсутствием информации о направленных свойствах. КСВ ничего не сообщает о коэффициенте усиления, о ширине главного лепестка и об уровне боковых лепестков. Две антенны с одинаковым КСВ могут отличаться по усилению на десять децибел, и по значению КСВ выбрать лучшую невозможно.

Третье ограничение связано с полосой. Одно значение КСВ относится к одной частоте. Чтобы охарактеризовать антенну, нужна зависимость КСВ от частоты, а также сведения о том, на какой частоте антенна резонансна. Резонанс определяется равенством нулю реактивной части сопротивления, и он может не совпадать с минимумом КСВ при работе в линии с реактивным элементом согласования.

Четвёртое ограничение связано с распределением тока. Антенна с КСВ 1,0 может излучать через оплётку кабеля: при этом фидер становится частью излучающей системы, диаграмма направленности искажается, а помехи от аппаратуры управления попадают в приёмный тракт. Для обнаружения такого явления применяют токовый зажим на кабеле или проверку поля в ближней зоне, а не измерение КСВ.

Пятое ограничение относится к антеннам с несколькими входами. У двухдиапазонной антенны или у антенны с отдельными входами для передачи и приёма значение КСВ зависит от того, чем нагружены остальные входы. Если свободный вход оставить разомкнутым, он переизлучает часть мощности и искажает результат. Измерение выполняют при нагруженных согласованных входах, а в описании указывают, при каких условиях получено значение.

↑ К оглавлению

4. Пересчёт КСВ в потери и дальность

Значение КСВ само по себе не говорит, сколько мощности теряется. Для расчёта радиолинии нужны две величины, выраженные в децибелах: обратные потери, характеризующие качество согласования, и потери рассогласования, показывающие, какая часть мощности не дошла до антенны. Обе величины получаются из модуля коэффициента отражения.

4.1. Обратные потери

Обратные потери определяются как отношение падающей мощности к отражённой, выраженное в децибелах:

\( \color{Teal} \text{RL} = -20\lg|\Gamma| \)

Чем лучше согласование, тем больше обратные потери. При КСВ 2 обратные потери равны 9,5 дБ, при КСВ 1,5 — 14 дБ, при КСВ 3,0 — 6 дБ. В англоязычной литературе эту величину называют return loss, и в технических описаниях антенн она встречается чаще, чем КСВ, потому что удобна для оценки развязки и для сравнения антенн между собой. Перевести обратные потери в КСВ можно по обратной формуле: \( \color{Teal} |\Gamma| = 10^{-\text{RL}/20} \).

Приборы обычно показывают обе величины одновременно, и это удобно при настройке. По КСВ контролируют попадание в допуск, по обратным потерям оценивают качество согласования с большей разрешающей способностью в области хороших значений: разница между КСВ 1,05 и КСВ 1,10 видна по обратным потерям как 32 и 26 дБ, тогда как в шкале КСВ она почти неразличима.

Различие между двумя шкалами объясняет распространённое недоразумение. Инженер видит в описании обратные потери 10 дБ и считает, что антенна теряет десятую часть мощности, тогда как реальные потери мощности при таком значении составляют около половины децибела. Обратные потери характеризуют отражение в логарифмическом масштабе и удобны для оценки малостей, а для расчёта бюджета линии применяется другая величина.

4.2. Потери рассогласования и выигрыш по дальности

Потери рассогласования равны доле мощности, которая не попадает в антенну из-за отражения:

\( \color{Teal} L = -10\lg\left(1 - |\Gamma|^2\right) \)

При КСВ 1,5 потери составляют 0,18 дБ, при КСВ 2,0 — 0,51 дБ, при КСВ 3,0 — 1,25 дБ, при КСВ 5,0 — 2,55 дБ. Потери в тракте сокращают дальность связи, потому что мощность на входе приёмника обратно пропорциональна квадрату расстояния. Коэффициент дальности вычисляется как \( \color{Teal} 10^{-L/20} \), и при КСВ 2 он равен 0,94: дальность уменьшается на шесть процентов по сравнению с идеально согласованной антенной той же конструкции.

Соотношение между КСВ и потерями нелинейно. Участок от 1,0 до 2,0 даёт потерю всего 0,5 дБ, участок от 2,0 до 3,0 добавляет ещё 0,7 дБ, а переход от 3,0 к 5,0 добавляет 1,3 дБ. Практический вывод состоит в том, что борьба за КСВ ниже 1,5 даёт ничтожный энергетический выигрыш, тогда как выход за уровень 3 уже заметно сокращает дальность и повышает нагрев выходного каскада.

Пример показывает, как потеря от рассогласования складывается с остальными потерями линии. Передатчик мощностью 27 дБм, антенна с усилением 5 дБи, кабель с затуханием 2 дБ, приёмная антенна с усилением 2 дБи, чувствительность приёмника минус 95 дБм. На расстоянии пяти километров на частоте 2,4 ГГц потери в свободном пространстве составляют 114 дБ. Уровень на входе приёмника равен минус 82 дБм, то есть запас относительно чувствительности составляет 13 дБ. При КСВ 3 добавляется 1,25 дБ потерь, запас падает до 11,75 дБ, а предельная дальность сокращается на тринадцать процентов.

Отсюда видно, при каких условиях рассогласованием можно пренебречь. Если запас линии составляет двадцать децибел и более, потеря одного-двух децибел не влияет на работоспособность. Если запас меньше десяти децибел, каждая десятая доля децибела имеет значение, и согласование антенны становится первоочередной задачей настройки.

Таблица 2. Пересчёт коэффициента стоячей волны в другие характеристики согласования

КСВ	Модуль коэффициента отражения, %	Отражено мощности, %	Прошло в антенну, %	Обратные потери, дБ	Потери рассогласования, дБ	Коэффициент дальности
1,0	0	0	100	бесконечность	0	1,000
1,1	4,8	0,2	99,8	26,4	0,01	0,999
1,2	9,1	0,8	99,2	20,8	0,04	0,996
1,5	20,0	4,0	96,0	14,0	0,18	0,980
2,0	33,3	11,1	88,9	9,5	0,51	0,943
2,5	42,9	18,4	81,6	7,4	0,88	0,904
3,0	50,0	25,0	75,0	6,0	1,25	0,866
4,0	60,0	36,0	64,0	4,4	1,94	0,800
5,0	66,7	44,4	55,6	3,5	2,55	0,745
10,0	81,8	66,9	33,1	1,7	4,81	0,575

4.3. Почему допуск установлен на уровне двух

Значение КСВ 2 принято в качестве типового допуска для антенн радиосвязи, и у этого выбора есть три причины. Первая причина энергетическая: при КСВ 2 потери составляют 0,51 дБ, то есть около одной восьмой от типичного запаса линии, и дальнейшее улучшение согласования уже не даёт заметного выигрыша. Вторая причина схемотехническая: выходной каскад передатчика с запасом по нагрузке рассчитан на работу при коэффициенте отражения до одной трети, и защита от перегрузки не срабатывает. Третья причина производственная: обеспечить КСВ ниже 2 в заданной полосе для антенны простой конструкции сравнительно несложно, а требование КСВ ниже 1,5 заметно увеличивает стоимость и сужает полосу.

Для приёмного тракта требование мягче. Приёмная антенна работает с уровнями на много порядков ниже, чем передающая, и рассогласование влияет только на долю принятой мощности. Потери 0,5 дБ при КСВ 2 на приёме практически незаметны, поэтому в линиях с раздельными антеннами передающая согласуется тщательнее, чем приёмная.

В документации на антенны и на радиооборудование требование записывают в виде «КСВ не более 2,0 в полосе от одной частоты до другой». При заказе проверяют, что указанная полоса совпадает с участком перестройки передатчика, а не только содержит рабочую частоту. Встречается и другая запись — «обратные потери не менее 10 дБ», которая означает то же самое в другой шкале.

Передатчики, в свою очередь, нормируются по допустимому КСВ нагрузки. Типичное значение для малогабаритных модулей составляет 2,0, для мощных усилителей — 3,0 при кратковременном отклонении. Превышение этого порога включает защиту и снижает выходную мощность, поэтому антенна с КСВ 4 не только теряет мощность на отражении, но и заставляет передатчик работать в пониженном режиме.

5. Сопротивление типовых антенн

Входное сопротивление антенны определяется её геометрией и размещением относительно проводящих предметов. Ниже приведены значения для антенн, которые встречаются в радиолиниях беспилотных воздушных судов, и показано, какое значение КСВ каждая из них даёт при прямом подключении к линии 50 Ом без согласующего устройства.

Входное сопротивление измеряется тем же анализатором, которым измеряется КСВ. Прибор показывает активную и реактивную части, поэтому настройка сводится к двум действиям: изменением геометрии добиваются равенства нулю реактивной части, а изменением точки питания или согласующего элемента — равенства волновому сопротивлению активной части. У патча точка питания смещается вдоль излучателя, у штыря изменяется длина, у диполя — длина плеч и угол между ними.

Распределение тока объясняет, почему сопротивление диполя нельзя изменить, не меняя его длину. Ток максимален в центре, где расположена точка питания, и это определяет сравнительно высокое сопротивление 73 Ом по сравнению с 36,5 Ом у четвертьволнового штыря, у которого максимум тока приходится на основание, а пучность напряжения — на вершину.

5.1. Полуволновой диполь и петлевой вибратор

Полуволновой диполь представляет собой два проводника длиной около четверти волны каждый, разнесённые на небольшой зазор в точке питания. В свободном пространстве его входное сопротивление близко к 73 Ом, а при учёте конечной толщины проводника уменьшается до 70 Ом и ниже. Подключение такого диполя к линии 50 Ом даёт КСВ 1,46, обратные потери 14,6 дБ и потери рассогласования 0,15 дБ. Такой результат считается приемлемым, и в большинстве случаев диполь используют без согласующего устройства.

Размеры диполя определяются длиной волны. Полная длина проводников составляет около 0,47 длины волны: коэффициент меньше половины из-за конечной толщины проводника и ёмкостного влияния изоляции. На частоте 2,44 ГГц длина волны равна 122,4 мм, поэтому полная длина диполя составляет примерно 57 мм, а каждое плечо — около 28 мм. Уменьшение длины до 0,45 длины волны применяют для компенсации влияния корпуса, который удлиняет электрическую длину антенны.

Петлевой вибратор состоит из двух параллельных полуволновых проводников, соединённых на концах. Токи в плечах распределены так, что напряжение в точке питания удваивается, а ток уменьшается вдвое, поэтому входное сопротивление возрастает примерно в четыре раза по сравнению с обычным диполем и составляет около 300 Ом. При подключении к линии 50 Ом КСВ равен 6,0, обратные потери — 2,9 дБ, потери рассогласования — 3,1 дБ. Петлевой вибратор применяют либо с симметрирующим трансформатором, либо с коаксиальной линией, включённой в разрыв одного из проводников, и без такого согласования он непригоден для передатчика.

5.2. Вертикальный штырь и противовесы

Четвертьволновый штырь над идеально проводящей бесконечной поверхностью эквивалентен половине диполя и имеет входное сопротивление 36,5 Ом. В линии 50 Ом это даёт КСВ 1,37, обратные потери 16,1 дБ и потери рассогласования 0,11 дБ. На реальном объекте идеальной поверхности нет: противовесы конечной длины, близость корпуса и наклон штыря изменяют сопротивление в пределах от 30 до 60 Ом.

Длина штыря составляет около четверти длины волны, что на частоте 2,44 ГГц равно 30 мм, а на частоте 5,8 ГГц — 13 мм. Противовесы выполняют той же длины или немного короче. При такой геометрии антенна занимает мало места, но её сопротивление зависит от угла наклона противовесов и от близости корпуса, поэтому настройка сводится к подбору двух величин: длины штыря и угла наклона противовесов.

Практика настройки состоит в подборе длины противовесов и угла их наклона. При угле около 45 градусов к горизонту сопротивление возрастает до значений, близких к 50 Ом, и КСВ приближается к единице без дополнительных элементов. Чем короче противовесы по сравнению с четвертью волны, тем ниже сопротивление и тем сильнее выражена зависимость КСВ от частоты.

5.3. Микрополосковый патч

Патч представляет собой металлический прямоугольник над слоем диэлектрика с экраном на обратной стороне. Резонансная частота определяется длиной прямоугольника, а входное сопротивление — положением точки питания относительно центра. При питании в оптимальной точке сопротивление равно 50 Ом, и КСВ близок к единице на резонансной частоте. Главный недостаток патча состоит в узкой полосе: типичная добротность на стеклотекстолите лежит в пределах от 30 до 50, что даёт полосу по уровню КСВ 2 порядка двух процентов от несущей.

Длина прямоугольника определяется половиной длины волны в диэлектрике: \( \color{Teal} L \approx c/(2 f \sqrt{\varepsilon_{\text{эфф}}}) \), где \( \color{Teal} \varepsilon_{\text{эфф}} \) — эффективная диэлектрическая проницаемость, учитывающая поле, выходящее за пределы подложки. Для стеклотекстолита толщиной 1,6 мм с проницаемостью 4,4 эффективная проницаемость составляет около 3,3, поэтому на частоте 2,44 ГГц длина прямоугольника равна примерно 34 мм, а с учётом краевого поля — 31 мм. Ширина прямоугольника выбирается около 38 мм: она влияет на сопротивление излучения и на полосу.

На частоте 2,44 ГГц полоса такого патча составляет около 43 МГц, то есть покрывает лишь половину участка 2400–2483,5 МГц. Для расширения полосы увеличивают толщину диэлектрика, снижают его диэлектрическую проницаемость, применяют многослойную конструкцию или два связанных излучателя, настроенных на разные частоты.

5.4. Клевер и спираль

Антенна клевер состоит из трёх или четырёх полуволновых лепестков, изогнутых и повёрнутых вокруг общей оси. Такая конструкция формирует круговую поляризацию и даёт сопротивление, близкое к 50 Ом, в полосе шириной около двадцати процентов. Добротность клевера невелика и лежит в пределах от 2 до 4, поэтому полоса по уровню КСВ 2 на частоте 5,8 ГГц достигает 1367 МГц — больше, чем весь рабочий участок.

Габариты клевера определяются длиной волны: диаметр конструкции на частоте 5,8 ГГц составляет около 25–30 мм, что соответствует половине длины волны. Излучающие лепестки изгибают так, чтобы ток в них имел две ортогональные составляющие со сдвигом фаз на 90 градусов — именно это даёт круговую поляризацию.

Спиральная антенна в осевом режиме представляет собой винтовую линию, намотанную над экраном. Диаметр витка и шаг намотки выбирают так, чтобы на рабочей частоте формировался луч вдоль оси с круговой поляризацией. Сопротивление спирали близко к 50 Ом, а добротность составляет около 2,5, что обеспечивает полосу порядка 1640 МГц на частоте 5,8 ГГц. Платой за широкую полосу служат габариты: длина спирали составляет несколько длин волн.

Основное соотношение для спирали состоит в том, что длина витка должна быть близка к длине волны: \( \color{Teal} \pi D \approx \lambda \). На частоте 5,8 ГГц длина волны равна 51,7 мм, поэтому диаметр витка составляет около 16 мм. Шаг намотки выбирают в пределах от четверти до трети длины волны, а число витков — от шести до десяти; длина намотки при этом лежит в пределах от 80 до 150 мм.

5.5. Антенна Яги

Антенна Яги содержит активный вибратор, рефлектор и несколько директоров, закреплённых на общей траверсе. Входное сопротивление активного вибратора зависит от расстояния до рефлектора и от числа директоров, поэтому готовые антенны этого вида выполняют с петлевым вибратором и согласующим устройством, обеспечивающим 50 Ом. Добротность Яги составляет около 6, что даёт полосу по уровню КСВ 2 около двенадцати процентов, то есть 288 МГц на частоте 2,44 ГГц.

Длина траверсы для антенны умеренного усиления составляет от 0,4 до 0,6 длины волны, а элементы имеют длину около половины длины волны. На частоте 2,44 ГГц это даёт траверсу длиной от 50 до 75 мм и элементы длиной около 60 мм. Каждый директор короче предыдущего на два–три процента, что и обеспечивает направленное излучение.

Достоинство антенны Яги состоит в усилении от 8 до 14 дБ при умеренных габаритах, недостаток — в чувствительности настройки к положению элементов. Смещение директора на несколько миллиметров заметно меняет входное сопротивление, поэтому после механической правки антенны измерение КСВ повторяют.

5.6. Сводное сравнение

Таблица сводит вместе значения, полученные расчётом для линии 50 Ом. Величины КСВ, обратных потерь и потерь рассогласования относятся к одной частоте настройки; в стороне от неё значения ухудшаются тем быстрее, чем выше добротность антенны.

Таблица 3. Сопротивление типовых антенн и согласование с линией 50 Ом

Антенна	Входное сопротивление, Ом	КСВ в линии 50 Ом	Обратные потери, дБ	Потери рассогласования, дБ	Особенность применения
Полуволновой диполь	73	1,46	14,6	0,15	не требует согласования, симметричное питание
Петлевой вибратор	300	6,00	2,9	3,10	требует трансформатора сопротивлений
Штырь над идеальной землёй	36,5	1,37	16,1	0,11	сопротивление растёт при наклоне противовесов
Штырь с противовесами	50	1,00	бесконечность	0	настройка длиной противовесов
Микрополосковый патч	50	1,00	бесконечность	0	узкая полоса, зависит от толщины диэлектрика
Клевер и спираль	50	1,00	бесконечность	0	широкая полоса, круговая поляризация

Значения 1,00 в таблице означают идеальное согласование на расчётной частоте. В реальной конструкции к ним добавляются допуски изготовления, влияние корпуса и разброс параметров диэлектрика, поэтому изготовленная антенна показывает КСВ от 1,1 до 1,5. Такое расхождение нормально и не свидетельствует об ошибке сборки.

↑ К оглавлению

6. Полоса пропускания по уровню КСВ

Антенна сохраняет согласование не на одной частоте, а в некоторой полосе. Ширина этой полосы определяется добротностью: чем сильнее выражен резонанс, тем быстрее нарастает реактивная часть сопротивления при уходе от резонансной частоты и тем раньше КСВ выходит за установленный допуск.

6.1. Добротность и ширина полосы

Для резонансной антенны вблизи частоты настройки реактивное сопротивление пропорционально добротности и относительной расстройке. Из этого соотношения и из условия, что КСВ на границе полосы равен заданному значению, получается оценка относительной ширины полосы:

\( \color{Teal} \frac{\Delta f}{f_0} = \frac{\text{КСВ} - 1}{Q\sqrt{\text{КСВ}}} \)

где \( \color{Teal} \Delta f \) — полная ширина полосы, \( \color{Teal} f_0 \) — резонансная частота, \( \color{Teal} Q \) — добротность. При уровне КСВ 2 формула упрощается: относительная полоса равна \( \color{Teal} 0{,}707/Q \). Так, при добротности 40 полоса составляет 1,77 % от несущей, при добротности 8 — 8,84 %, при добротности 3 — 23,6 %. Формула даёт оценку сверху для простых резонансных конструкций и хорошо совпадает с измерениями для патчей, штырей и вибраторов.

Формулу можно применять и в обратную сторону: по измеренной полосе определяют добротность антенны. Если на частоте 2440 МГц полоса по уровню КСВ 2 составила 43 МГц, то \( \color{Teal} Q = (\text{КСВ} - 1)/\left((\Delta f/f_0)\sqrt{\text{КСВ}}\right) = 1/(0{,}0176 \cdot 1{,}414) \approx 40 \). Совпадение с паспортным значением подтверждает, что измерение выполнено корректно, а расхождение в два раза указывает либо на ошибку в определении краёв полосы, либо на потери в диэлектрике, которые расширяют кривую.

Кривая КСВ симметрична относительно резонансной частоты только в первом приближении. У реальных антенн с ростом частоты сказываются потери в проводниках и диэлектрике, поэтому правая ветвь кривой оказывается ниже левой, а минимум КСВ немного смещается в сторону высоких частот. Для практической оценки этим смещением пренебрегают, но при точной настройке его учитывают.

Таблица 4. Полоса пропускания по уровню КСВ 2 для типовых антенн

Антенна и частота	Добротность	Относительная полоса, %	Полоса, МГц
Патч на стеклотекстолите, 2,44 ГГц	40	1,77	43
Патч на воздушном зазоре, 5,8 ГГц	60	1,18	68
Штырь, 2,44 ГГц	8	8,84	216
Антенна Яги, 2,44 ГГц	6	11,79	288
Клевер, 5,8 ГГц	3	23,57	1367
Спираль, 5,8 ГГц	2,5	28,28	1640

Из таблицы видно, что полоса растёт обратно пропорционально добротности, но габариты и усиление при этом меняются в другую сторону. Патч с добротностью 40 имеет узкую полосу, зато мал по размеру и удобен для установки на корпус. Спираль с добротностью 2,5 перекрывает полторы тысячи мегагерц, но занимает значительно больше места.

6.2. Покрытие рабочих участков 2,4 и 5,8 ГГц

Радиолинии беспилотных воздушных судов работают в нелицензируемых участках спектра. Участок 2400–2483,5 МГц имеет ширину 83,5 МГц, участок 5725–5875 МГц — 150 МГц. Полоса антенны должна покрывать тот участок, в котором перестраивается передатчик, иначе на краях диапазона согласование выходит за допуск.

На частоте 2,44 ГГц картина выглядит так: патч с полосой 43 МГц покрывает 51 % участка, штырь с полосой 216 МГц перекрывает участок с запасом в 2,6 раза, антенна Яги с полосой 288 МГц — с запасом в 3,4 раза. На частоте 5,8 ГГц патч с полосой 68 МГц покрывает 45 % участка, клевер и спираль перекрывают участок целиком и заходят далеко за его границы.

Расширение полосы достигается не только сменой конструкции, но и настройкой. Антенну с добротностью 40 можно настроить на среднюю частоту участка, и тогда края окажутся на уровне КСВ около 3. Тот же излучатель с дополнительным согласующим элементом и небольшой потерей усиления даёт более пологую кривую и укладывается в допуск на всём участке. Такой обмен усиления на полосу широко применяют в бортовых антеннах.

Практическое следствие для линии с перестройкой частоты состоит в том, что узкополосную антенну нельзя считать работоспособной во всём участке. Если передатчик переключает каналы в пределах 2400–2483,5 МГц, а антенна имеет полосу 43 МГц, то на части каналов КСВ выйдет за уровень 2, а на крайних каналах — за уровень 3. Проверять согласование следует на тех частотах, которые действительно используются, а не только на средней.

Связь полосы антенны с планом каналов удобно показать на числах. При ширине канала 20 МГц в участке 2400–2483,5 МГц размещается четыре канала без перекрытия. Полоса антенны 43 МГц покрывает два крайних канала из четырёх, полоса 216 МГц перекрывает весь участок с запасом. Если передатчик переключается между каналами автоматически, узкополосная антенна даст разные условия работы на разных каналах, и средняя дальность окажется ниже расчётной.

7. Кабель, разъёмы и фидер

Фидер входит в измерительную цепь и в тракт передачи одновременно. Его потери ослабляют и падающую, и отражённую волну, поэтому прибор, установленный у передатчика, показывает не то согласование, которое имеет антенна, а согласование всей цепи вместе с кабелем.

7.1. Почему кабель занижает измеренный КСВ

Отражённая волна проходит кабель дважды: от прибора до антенны и обратно. Амплитуда отражённой волны на входе кабеля уменьшается в \( \color{Teal} 10^{A/10} \) раз, где \( \color{Teal} A \) — затухание кабеля в децибелах на один проход. Соответственно уменьшается и модуль коэффициента отражения, а вместе с ним и измеренный КСВ.

Численный пример показывает масштаб эффекта. Антенна с КСВ 5 при подключении через кабель с затуханием 3 дБ покажет на входе КСВ 2,0, а через кабель с затуханием 6 дБ — 1,4. Антенна с КСВ 10 через кабель 6 дБ покажет всего 1,52. Именно поэтому в описаниях антенн указывают, что измерение выполнено на входе антенны или с учётом потерь кабеля.

Таблица 5. Измеренный КСВ при разном затухании кабеля между прибором и антенной

Затухание кабеля, дБ	Антенна с КСВ 2	Антенна с КСВ 3	Антенна с КСВ 5	Антенна с КСВ 10
0	2,00	3,00	5,00	10,00
1	1,72	2,32	3,25	4,71
3	1,40	1,67	2,00	2,39
6	1,18	1,29	1,40	1,52
10	1,07	1,11	1,14	1,18

Отсюда следует правило измерений: прибор подключают как можно ближе к антенне либо переносят плоскость отсчёта на конец кабеля средствами самого прибора. Многие анализаторы позволяют задать длину и тип кабеля, после чего пересчитывают результат на плоскость антенны. Если такой функции нет, потери кабеля вычитают по паспортным данным.

7.2. Потери в кабеле и общий бюджет линии

Затухание кабеля влияет на линию иначе, чем рассогласование. Потери в кабеле делятся на два плеча: они ослабляют сигнал при передаче от передатчика к антенне и при приёме от антенны к приёмнику. Каждый децибел затухания в фидере уменьшает эквивалентную излучаемую мощность и одновременно на столько же ухудшает чувствительность приёмного тракта.

Тонкий кабель с высокими потерями удобен при монтаже, но обходится дорого по энергетике. Для кабеля с фторопластовой изоляцией диаметром около 5 мм затухание на частоте 2,4 ГГц составляет примерно 0,5–0,8 дБ на метр, на частоте 5,8 ГГц — около 0,9–1,3 дБ на метр. Кабель того же диаметра с полиэтиленовой изоляцией имеет примерно на треть большие потери. Отрезок длиной два метра на частоте 5,8 ГГц отнимает от одного до двух с половиной децибел, что сравнимо с потерями от рассогласования при КСВ 5.

Практический вывод состоит в том, что борьба за согласование и борьба за короткий фидер относятся к одной задаче. Антенна с КСВ 1,2 и кабелем длиной 3 метра может дать худший результат, чем антенна с КСВ 1,8 и кабелем длиной 30 сантиметров.

Если сопротивление антенны отличается от волнового сопротивления фидера, между ними включают согласующее устройство. Простейший вариант — Г-образная цепь из двух реактивных элементов, которая преобразует одно активное сопротивление в другое и одновременно компенсирует реактивность. Такая цепь рассчитывается на одну частоту и сужает полосу, поэтому в широкополосных линиях применяют трансформаторы на отрезках линий или ферритовые трансформаторы. В бортовых антеннах согласующую цепь часто выполняют печатным способом на той же плате, что и излучатель.

Разъёмы вносят собственный вклад в рассогласование. Коаксиальный разъём SMA с резьбой 10 миллиметров рассчитан на работу до 18 ГГц и имеет КСВ не более 1,15 в рабочем диапазоне. Разъём N крупнее и применяется на частотах до 11 ГГц при КСВ не более 1,10. Переходники и короткие отрезки кабеля, называемые пигтейлами, добавляют по 0,1–0,3 дБ потерь и по 0,02–0,05 к КСВ каждый. Три последовательных переходника могут добавить к измеренному значению столько же, сколько даёт вся антенна.

Отдельного внимания требует разъём RP-SMA: у него изменена полярность — центральный штырь находится в гнездовой части. Такой разъём не стыкуется с обычным SMA, а попытка соединения силой ломает контакт. В радиолиниях беспилотных воздушных судов RP-SMA встречается на модулях Wi-Fi, поэтому при изготовлении кабелей проверяют полярность каждого конца.

8. Окружение и монтаж антенны

Антенна, настроенная на столе, после установки на аппарат меняет свойства. Металлические части корпуса, аккумуляторная батарея, камера и близко расположенные провода образуют проводящую среду, которая перераспределяет ближнее поле. В результате резонансная частота смещается, а добротность падает.

В расчётном примере, показанном на рисунке 14, патч с резонансной частотой 2,440 ГГц и добротностью 40 в свободном пространстве имеет на рабочей частоте КСВ 1,0. Рядом с корпусом на расстоянии 30 мм резонанс смещается к 2,415 ГГц, добротность падает до 30, и на рабочей частоте КСВ возрастает до 1,84. В руке оператора резонанс уходит к 2,385 ГГц, добротность падает до 18, а КСВ на рабочей частоте достигает 2,22.

Смещение вниз по частоте объясняется диэлектрической нагрузкой: близкий диэлектрик увеличивает эффективную диэлектрическую проницаемость среды вокруг излучателя и удлиняет электрическую длину. Падение добротности объясняется ростом потерь: часть энергии уходит в окружающие предметы и в тело оператора, не достигая приёмника.

Отдельно сказываются температура и влага. При нагреве на сорок градусов размеры проводников увеличиваются на сотые доли процента, а диэлектрическая проницаемость подложки меняется сильнее: у стеклотекстолита проницаемость растёт, и резонанс уходит вниз по частоте на несколько десятых процента. Влага на поверхности антенны действует как дополнительный слой диэлектрика и смещает резонанс ещё сильнее. Поэтому антенну с открытым излучателем защищают радиопрозрачным кожухом, а места соединений герметизируют.

Кожух и краска тоже влияют на настройку. Слой краски толщиной в десятые доли миллиметра с металлическим пигментом способен заметно изменить добротность патча, а кожух из углепластика экранирует излучение почти полностью. Перед установкой кожуха полезно измерить КСВ с ним и без него и сравнить результаты.

Приёмы, которые уменьшают влияние окружения, известны. Антенну настраивают в собранном виде и на штатном месте установки, а не отдельно от аппарата. Расстояние от излучателя до металлических деталей увеличивают до величины не менее одной десятой длины волны, что на частоте 2,4 ГГц составляет около 12 мм, а на частоте 5,8 ГГц — около 5 мм. Кабель укладывают по прямой, без свёрнутых в кольцо излишков, которые образуют паразитную индуктивность. Разъёмы фиксируют от проворота, а места соединений защищают от влаги.

На аппарате обычно установлены две антенны: для канала управления и для видеоканала. Они влияют друг на друга: каждая вносит в пространство вторичное поле, которое меняет входное сопротивление соседней. Степень влияния зависит от расстояния и от взаимной ориентации. Разнос антенн на расстояние не менее половины длины волны, что на частоте 2,4 ГГц составляет около 62 мм, снижает взаимное влияние до приемлемого уровня, а установка антенн с ортогональной поляризацией уменьшает ещё и прямую связь между трактами.

↑ К оглавлению

9. Как измеряют коэффициент стоячей волны

Измерение строится на разделении падающей и отражённой волн. Устройство, которое выполняет такое разделение, называется направленным ответвителем. Из отношения выделенных волн получается коэффициент отражения, из него — КСВ, обратные потери и потери рассогласования.

9.1. Антенный анализатор

Антенный анализатор содержит генератор качающейся частоты, направленный ответвитель и измеритель. За один проход прибор снимает зависимость КСВ от частоты и показывает её в виде графика. По такому графику определяют резонансную частоту, полосу по заданному уровню КСВ и положение краёв рабочего участка.

Порядок работы с анализатором состоит из четырёх шагов. Сначала выбирают диапазон частот так, чтобы он перекрывал рабочий участок с запасом не менее двадцати процентов в каждую сторону. Затем выполняют калибровку по трём эталонам. После этого подключают антенну и снимают кривую. Наконец, отмечают на кривой рабочую частоту, края участка и уровень КСВ 2, чтобы получить границы полосы.

Современные малогабаритные анализаторы строятся по схеме векторного анализатора цепей: они измеряют комплексный коэффициент отражения, поэтому дополнительно показывают активную и реактивную части сопротивления, ёмкость или индуктивность эквивалентной схемы. Для настройки антенны достаточно модели с разрешением по частоте около одного мегагерца и погрешностью по КСВ не хуже 0,05 в рабочем диапазоне.

9.2. Направленный ответвитель и КСВ-метр

Отдельно стоит упомянуть измерение при работающем передатчике. Такой режим опасен для анализатора: мощность передатчика выводит из строя входной смеситель. Измерение при передаче допускается только через направленный ответвитель с ослаблением, достаточным для прибора, и с учётом переходного затухания. Для разовых проверок удобнее отключить передатчик и работать анализатором.

КСВ-метр, встроенный в передающий тракт, работает на рабочей частоте передатчика и показывает текущее значение в одной точке. Такой прибор удобен для контроля в полёте, но не позволяет увидеть полосу: он даёт одно число, и по нему нельзя отличить узкополосную антенну с хорошим согласованием на центральной частоте от широкополосной.

Направление ответвления задаётся конструкцией ответвителя. В простейшем КСВ-метре два плеча выделяют падающую и отражённую волны, а их отношение пересчитывается в КСВ по калибровочной кривой. Погрешность такого прибора зависит от точности согласования его собственных плеч и от качества нагрузки, поэтому перед работой проверяют показания на эталонных нагрузках: согласованной, разомкнутой и короткозамкнутой.

9.3. Калибровка и плоскость отсчёта

Калибровка устраняет влияние самого прибора и его кабеля. Для однопортового измерения выполняется последовательность с тремя эталонами: разомкнутая цепь, короткое замыкание и согласованная нагрузка. После калибровки плоскость отсчёта переносится на конец кабеля, к которому подключались эталоны, и все последующие результаты относятся именно к этой плоскости.

Отсюда следует практическое правило. Если калибровка выполнена на конце измерительного кабеля, а измеряемая антенна подключена через удлинитель, то удлинитель войдёт в результат своими потерями и сдвигом фазы. Чтобы получить согласование самой антенны, калибровку выполняют на том разъёме, к которому она подключается, либо компенсируют удлинитель средствами прибора.

Ошибка в выборе плоскости отсчёта даёт ошибку того же порядка, что и потери кабеля. Антенна с КСВ 5, измеренная через кабель с затуханием 3 дБ без калибровки на его конце, покажет 2,0. Инженер сделает вывод, что антенна пригодна, тогда как в антенну уходит лишь чуть больше половины мощности. Проверка состоит в повторном измерении без кабеля: расхождение между двумя результатами и есть вклад фидера.

Таблица 6. Средства измерения согласования и их применение

Средство	Что даёт	Ограничение	Когда применять
Антенный анализатор	кривая КСВ в полосе, активное и реактивное сопротивление	требует калибровки, измерение выполняется при отключённом передатчике	настройка и приёмка антенны перед установкой
КСВ-метр в тракте	текущее значение на рабочей частоте	одна частота, нет сведений о полосе	контроль в полёте и при проверке тракта
Направленный ответвитель с измерителем мощности	падающая и отражённая мощность в ваттах	нужны две согласованные головки, погрешность суммируется	проверка передающего тракта под нагрузкой
Векторный анализатор цепей	полная матрица рассеяния, фаза отражения	высокая стоимость, требуется квалификация	разработка и настройка сложных антенн

10. Типичные ошибки при оценке КСВ

Первая ошибка состоит в измерении без калибровки или с калибровкой на другом разъёме. В этом случае в результат входят потери и реактивность кабеля, и значение КСВ может отличаться от истинного в полтора раза и более. Признаком служит нестабильность показаний при изгибе кабеля.

Вторая ошибка состоит в оценке антенны по одному значению на одной частоте. Антенна, настроенная на 2,450 ГГц, при работе на 2,400 ГГц может иметь КСВ 3 и выше, а при измерении только в центре участка эта особенность останется незамеченной.

Третья ошибка состоит в отождествлении КСВ и качества антенны. Согласованная нагрузка в виде резистора 50 Ом даёт КСВ 1,0 и излучает ноль. Отсутствие отражения означает лишь то, что вся подведённая мощность вошла в антенну, но не говорит, какая её доля ушла в эфир.

Четвёртая ошибка связана с измерением в неподходящих условиях. Антенна, измеренная на столе рядом с металлическим инструментом, покажет не то значение, которое будет иметь на аппарате. Измерение выполняют в том положении, в котором антенна работает, и по возможности на улице.

Пятая ошибка состоит в пренебрежении разъёмами. Плохо опрессованный разъём добавляет реактивность и потери, а окисленный контакт даёт нестабильность. При подозрении на разъём измерение повторяют с заведомо исправным переходником.

Шестая ошибка связана с поляризацией. Согласование и поляризация — независимые характеристики: антенна с КСВ 1,1, повёрнутая на девяносто градусов относительно корреспондента, даёт потери в линии более двадцати децибел. По значению КСВ такую ошибку обнаружить нельзя, её выявляют сравнением уровней при двух положениях антенны.

Седьмая ошибка состоит в измерении при снятом кожухе. Антенна, согласованная без защитного колпака, после установки колпака может выйти из допуска, потому что диэлектрик колпака меняет эффективную проницаемость окружающей среды.

Восьмая ошибка состоит в сравнении значений, полученных разными приборами, без учёта их погрешности. Два анализатора могут показать 1,3 и 1,6 для одной и той же антенны, если один из них откалиброван на другом разъёме или имеет погрешность в несколько сотых. Сравнивать имеет смысл только результаты, полученные одним прибором в одинаковых условиях, а расхождение более 0,2 требует выяснения причины.

11. Практика: проверка антенны радиолинии

Проверка антенны занимает около получаса и выполняется в определённой последовательности. Ниже приведён порядок действий, который даёт воспроизводимый результат и позволяет сравнивать антенны между собой.

Результат проверки удобно сводить в таблицу по трём зонам. Если КСВ не превышает 1,5 во всей рабочей полосе, антенна пригодна без ограничений. Если КСВ лежит в пределах от 1,5 до 2,0, антенна пригодна, но при работе на границе участка запас линии уменьшается. Если КСВ превышает 2,0 хотя бы на части рабочего участка, антенну настраивают или заменяют, а до этого эксплуатировать передатчик на этих частотах не следует.

Проверку повторяют не только при установке, но и в процессе эксплуатации. Антенна на открытом воздухе стареет: пластик кожуха теряет свойства под ультрафиолетом, герметик отслаивается, контакты окисляются. Разумный интервал между проверками для аппарата интенсивной эксплуатации составляет три месяца, для аппарата сезонного применения — перед началом сезона. Результаты хранят в журнале, потому что сравнение с предыдущим измерением выявляет деградацию раньше, чем она проявится в потере связи.

Нагрев разъёмов служит косвенным признаком потерь. Если после нескольких минут работы на передачу разъём теплее кабеля, значит, в нём выделяется мощность, и причиной может быть плохой контакт или окисление центральной жилы.

12. КСВ в радиолинии беспилотного воздушного судна

Первая особенность бортовой установки состоит в том, что антенна работает в условиях, далёких от идеальных: корпус из композитных материалов или металла, рядом аккумуляторная батарея, камера и провода, ограниченное место для монтажа. Поэтому значение КСВ, полученное на стенде, служит только исходной точкой, а рабочее значение определяется после установки.

Второй особенностью бортовой установки служит малая длина волны. На частоте 2,4 ГГц длина волны равна 124,9 мм, четверть волны — 31,2 мм, на частоте 5,8 ГГц эти величины составляют 51,7 мм и 12,9 мм. Любой металлический предмет размером порядка нескольких сантиметров оказывается в ближней зоне и влияет на входное сопротивление.

Таблица 7. Геометрические ориентиры для двух рабочих участков

Частота, ГГц	Длина волны в свободном пространстве, мм	Четверть волны, мм	Половина волны, мм	Ширина рабочего участка, МГц
2,40	124,9	31,2	62,5	83,5
2,45	122,4	30,6	61,2	83,5
5,80	51,7	12,9	25,8	150

Третья особенность связана с режимом работы передатчика. В канале управления мощность невелика, но передатчик работает непрерывно, поэтому нагрев при рассогласовании накапливается. В видеоканале мощность выше, а режим передачи близок к непрерывному, и защита от перегрузки по отражённой мощности срабатывает чаще. При появлении периодических провалов связи на малой дальности имеет смысл проверить КСВ видеопередатчика, прежде чем искать причину в помеховой обстановке.

Четвёртая особенность относится к поляризации и размещению. КСВ не зависит от поляризации, но качество линии зависит от неё сильно. Антенна с отличным согласованием, установленная с поворотом поляризации на 90 градусов относительно антенны на земле, даёт потери в линии на двадцать децибел и более при том же значении КСВ.

Пятая особенность связана с температурой. В полёте аппаратура нагревается на солнце и охлаждается в наборе высоты, а перепад может достигать сорока градусов. Антенна, настроенная при комнатной температуре, на краю участка при крайней температуре может выйти из допуска. Для ответственных линий КСВ проверяют в термокамере или хотя бы при двух температурах: комнатной и максимальной рабочей.

На частоте 5,8 ГГц перечисленные эффекты выражены сильнее. Длина волны здесь вдвое меньше, поэтому те же предметы занимают вдвое большую электрическую длину, а допуски на изготовление антенны становятся жёстче: смещение излучателя на один миллиметр соответствует уже двум процентам длины волны вместо одного. Потери в кабеле на этой частоте также выше, поэтому длину фидера сокращают до минимума, а антенну ставят ближе к передатчику.

С учётом перечисленного порядок выбора антенны выглядит так: сначала определяется рабочий участок и требуемая полоса, затем выбирается тип антенны с подходящей полосой и поляризацией, после этого проверяется согласование в штатном положении и только затем оценивается энергетика линии. Обратный порядок, при котором сначала выбирается антенна по усилению, а согласование проверяется в конце, приводит к переделкам на этапе лётных испытаний.

Если измеренный КСВ оказался выше ожидаемого, действия выполняют в определённом порядке. Сначала антенну отключают от кабеля и измеряют отдельно: если её КСВ в норме, причина в фидере. Затем проверяют кабель на обрыв и короткое замыкание, а также на стабильность показаний при изгибе. После этого осматривают разъёмы и проверяют полярность RP-SMA. Далее антенну переставляют в другое место на корпусе и повторяют измерение, чтобы исключить влияние окружения. Наконец, сравнивают кривую КСВ с паспортной: смещение минимума указывает на изменение электрической длины, а расширение кривой — на рост потерь. Замена антенны выполняется последней, когда предыдущие причины исключены.

13. Источники

1. Марков Г. Т., Сазонов Д. М. Антенны. Москва: Энергия, 1975. Разделы о линиях передачи и согласовании антенн.
2. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. Москва: Высшая школа, 1988. Глава о коэффициенте стоячей волны и полосе пропускания.
3. Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. Hoboken: Wiley, 2016. Главы о входном сопротивлении диполя, петлевого вибратора и микрополосковых антенн.
4. Rothammel K. Antennenbuch. Berlin: DARC Verlag, 2001. Справочные данные о согласовании антенн коротковолнового и ультравысокочастотного диапазонов.
5. Коэффициент стоячей волны. Свободная энциклопедия. Адрес: страница статьи
6. Коаксиальный кабель. Свободная энциклопедия. Адрес: страница статьи
7. Антенна. Свободная энциклопедия. Адрес: страница статьи
8. Smith chart. Свободная энциклопедия. Адрес: страница статьи
9. Microwave and RF design: microstrip patch antennas. Ресурс Antenna Theory. Адрес: страница раздела

14. Приложение. Методика расчёта

Все числовые значения статьи получены расчётом по формулам, приведённым ниже. Расчёт выполнен для линии с волновым сопротивлением 50 Ом. Исходные данные и результаты сохранены в файле расчёта, приложенном к статье.

Коэффициент отражения вычислялся по входному сопротивлению: \( \color{Teal} \Gamma = (Z - Z_0)/(Z + Z_0) \). Для чисто активных нагрузок, приведённых в таблице 3, мнимая часть принималась равной нулю. Коэффициент стоячей волны получался по модулю коэффициента отражения: \( \color{Teal} \text{КСВ} = (1 + |\Gamma|)/(1 - |\Gamma|) \).

Обратные потери вычислялись как \( \color{Teal} \text{RL} = -20\lg|\Gamma| \), потери рассогласования — как \( \color{Teal} L = -10\lg(1 - |\Gamma|^2) \). Коэффициент дальности получен из условия, что мощность на входе приёмника обратно пропорциональна квадрату расстояния: \( \color{Teal} k_d = 10^{-L/20} \).

Полоса пропускания определялась по формуле \( \color{Teal} \Delta f/f_0 = (\text{КСВ} - 1)/(Q\sqrt{\text{КСВ}}) \), которая следует из модели резонансной цепи с постоянной добротностью. Значения добротности выбраны по литературным данным для соответствующих конструкций и указаны в таблице 4.

Влияние кабеля рассчитывалось по ослаблению отражённой волны на двойном проходе: \( \color{Teal} |\Gamma_{\text{изм}}| = |\Gamma_{\text{ант}}| \cdot 10^{-A/10} \), где \( \color{Teal} A \) — затухание кабеля в децибелах на один проход. Кривые на рисунке 14 получены по модели резонансной цепи с параметрами, указанными в подписи.

Проверено: 29.10.2026

↑ К оглавлению