Сильней, еще сильней: коэффициент усиления антенн раций на практике

Одна из основополагающих истин радиосвязи — то, что первична именно антенна, от ее характеристик зависит очень и очень многое. Однако в обиходе, как правило, ограничиваются замером КСВ (если хотя бы КСВ-метр есть): «Близко к единичке? Ну и отлично!» Что неверно: возьмите нагрузочный резистор и прикрутите вместо антенны — КСВ на заглядение, а связи что-то и нет… Ибо не забываем про наличие у любой антенны КПД, который никогда не составит 100% - то есть, сколько-то энергии отразив, она сколько-то еще и «съест» сама, а не отдаст в эфир.

Немного матана

Если «на пальцах», то параметр КСВ физически означает только то, сколько энергии в антенну «уходит», но он ничуть не отражает то, сколько из нее при этом «выходит» в эфир. Отсюда принятое понятие коэффициента усиления — то есть соотношения мощности, подводимой к испытываемой антенне (Pи), с мощностью на антенне эталонной (Pэ), необходимой для создания одинаковой напряженности поля в конкретной точке пространства: G = Pэ/Pи. Антенна, идентичная эталонной, будет иметь G = 1. Как и любая другая относительная величина, коэффициент усиления обычно указывается в децибелах: G (dB) = log10 (Pэ/Pи), в этом случае у антенны, идентичной эталону, G = 0 дБ. Тип эталона чаще всего указывается прямо — либо буквально «сферического в вакууме» изотропного излучателя (100% КПД, идеально сферическая диаграмма направленности), чей коэффициент усиления равен единице (в таком случае пишется dBi), либо вполне реального полуволнового диполя (dBd), с теоретическим пересчетом 0 dBd = 2,15 dBi.

Правда, и тут зарыта собака. Как-то стандартизировать процедуру измерения для антенн портативных раций просто невозможно: на реальную их работу влияют и конструкция шасси, и комплекция держащего рацию в руках человека, и даже то, как он ее держит. Методик не существует в принципе… стоп, а нужны ли они нам на практике? Ведь по факту-то нам интересно, что даст замена антенны именно на конкретной рации, а не на «сферической в вакууме». Так и родилась идея этого эксперимента: смоделировать ситуацию, когда на одну и ту же антенну будет с одинакового расстояния передаваться сигнал с разных. И поможет в этом старая добрая NanoVNA — благо ее чувствительности хватит.

Приступим к замерам

Подготовка

Принимающую антенну накручиваем на порт S21, передающие будем менять на S11. Соответственно, сравнивая графики напряжения S21 LINEAR с разными антеннами на фиксированной мощности, мы как раз и увидим, что будет меняться при замене, моделируя ситуацию, когда на паре идентичных раций меняется антенна на одной из них, а не пытаясь посчитать «сферический коэффициент». Поэтому «мотороловские» с их «разъемом типа болт» и антенны на BNC (от «Алинко», вроде, остались) не брал для сравнения, как и прочее добро со специфичным подключением.

Для наглядности сразу совместим график S21 LINEAR с S11 SWR — чтобы продемонстрировать, что «не КСВ единым» в реальности (пришло в голову уже после того, как сделал фото «тестовой установки»). Маркер ставим на максимум графика S21, автоматически он будет для наглядности синхронно бегать по графику КСВ на S11.

За «точку отсчета» возьмем пару антенн от TYT TH-UV98 — и как пример достаточно добротно сделанной китайской двухдиапазонки, и просто потому, что у меня их под руками аж три. Тот самый случай взаимодействия двух раций, имитированный с емкостным противовесом от меня самого (как, в принципе, и будет работать рация в руке). Кстати, учитывая, как бегают графики, стоит только пошевелиться — это недвусмысленно намекает на относительность подобных замеров для портативок.

Так как NanoVNA-App на ПК, к сожалению, не умеет строить именно «сырой» график напряжения на входе S21, скриншоты делаем непосредственно на самой «нановне», благо она это умеет. Чтобы это все нормально выглядело на мониторе (все-таки размер скриншота — 320х200), немного проапскейлим.

Контрольный график для двухметрового диапазона:

Передающая антенна имеет не лучший КСВ, однако (см. результаты ниже) имеем с округлением 0,689 мкВ на принимающей антенне (обращу внимание, что здесь у авторов прошивки косячок-с: символ μ они не осилили, и выглядит это как милливольты, что, конечно же, нонсенс).

График для 70-сантиметрового диапазона:

0,612 мкВ, при этом снова пик не совпадает с минимумом КСВ. В принципе, как можно заметить, более-менее ориентироваться по КСВ можно… Но дальше будет интереснее.

Поехали

Начинаем менять передающие антенны. «Якобы двухдиапазонная» антенна от «Баофенга», которую в прошлый раз NanoVNA уже вывела на чистую воду, на «семидесятке» («двойку» и смотреть смысла нет):

0,534 мкВ, графики уползли левее диапазона. Тут без комментариев: она и рада бы излучать, но получается хуже.

«Коротыш» Hytera TC-700. Так как антенна изначально однодиапазонная, замер снова только на «семидесятке». Учитывая, что настроена антенна отвратительно, чудес нет:

График КСВ уходит «куда-то», максимум по амплитуде примерно на краю диапазона, и то дальше падает. Пик — 509 мкВ. Передает антенна, что неудивительно, отвратительно.

Более длинная антенна от той же рации:

Хотя КСВ все равно «где-то», антенна уже более-менее передает на краю диапазона: потери мощности на отражение компенсируются лучшим КПД.

Штатная антенна от «народного» Quansheng UV-K5 на «двойке»:

Результат практически на уровне «образцовой» антенны. Хотя КСВ при этом страхолюдный, как видите.

На «семидесятке»:

Здесь, увы, антенна явно проигрывает взятой за образец — сигнал на приеме слабе, и пик смещен «не туда». Зато КСВ-то красивый, да.

«Огрызок» от MD-619 на 70-сантиметровом диапазоне:

Антенна не настроена, если судить по КСВ, но хоть как-то передает. Разница с «образцовой», тем не менее, очень приличная.

Контрольный образец — штатная антенна от еще японского «Вертекса» на двухметровый диапазон:

Комментировать нечего: наилучшие показатели на передачу, хотя КСВ и не особо красивый. Но, Карл, 710 мкВ на 150.690 — это в сравнении с прочими антеннами очень даже. Однозначно лучшая антенна — ну да, made in Japan 20 лет назад…

Все-таки именно антенна — главное, и при кажущейся простоте «резинки» на портативной рации, даже если постараться обеспечить одинаковые условия, разница будет чувствоваться.