Внутри современного смартфона помещается несколько радиосистем. Телефон одновременно поддерживает сотовую связь, Wi-Fi, Bluetooth и спутниковую навигацию, а разные диапазоны могут обслуживать несколько антенных элементов. При всём инженерном великолепии никакой новой физики радиоволн человечество для смартфона не изобрело. Поля по-прежнему подчиняются уравнениям Максвелла, а простейшую антенну можно сделать буквально из двух кусков провода.
Сложность начинается на следующем шаге. Антенну нужно уменьшить, спрятать рядом с экраном и аккумулятором, заставить работать сразу в нескольких диапазонах, не дать соседним антеннам слишком сильно мешать друг другу и сохранить характеристики, когда телефон берут в руку. В базовой станции приходится ещё и формировать направленные диаграммы десятками или сотнями антенных элементов. Получается хороший пример того, как фундаментальная физика XIX века превратилась в инженерную задачу XXI.
Как кусок металла превращает ток в радиоволну
Основу электродинамики можно записать четырьмя уравнениями Максвелла.
∇ · E = ρ / ε₀ ∇ · B = 0 ∇ × E = −∂B/∂t ∇ × B = μ₀J + μ₀ε₀ ∂E/∂t
Формулы связывают электрические заряды и токи с электрическим и магнитным полями. Из уравнений получается волновое решение, которое распространяется в вакууме со скоростью света. Отсюда следует привычная связь длины волны с частотой.
λ = c / f
На частоте 100 МГц длина волны составляет примерно 3 метра. На 1 ГГц получается около 30 сантиметров, а на 30 ГГц около сантиметра. Поэтому рабочая частота напрямую связана с характерными размерами антенны. Базовые соотношения для диполей, монополей, усиления и диаграмм подробно разобраны в справочнике ITU.
Простейший пример представляет полуволновой диполь. Условное название полуволновой не означает, что инженер всегда отрезает провод длиной ровно λ/2. Резонансная физическая длина реального тонкого диполя обычно немного меньше половины свободнопространственной длины волны. На результат влияют диаметр проводника, конструкция питания и окружающие объекты. Четвертьволновой монополь использует похожий принцип, но работает совместно с проводящей поверхностью или её эквивалентом.
Популярная картинка, где электроны якобы добегают до конца антенны и «вылетают» радиоволнами, неверна. Заряженные частицы остаются внутри проводника и совершают небольшие колебательные движения. Переменные токи и распределение зарядов создают изменяющиеся электрическое и магнитное поля, а часть энергии уходит от антенны в виде электромагнитного излучения.
При этом пространство вокруг антенны неоднородно. Совсем рядом находится реактивная ближняя зона, где заметную роль играет энергия, связанная с антенной и периодически возвращающаяся к источнику. Дальше появляется область, где всё сильнее доминирует излучаемая составляющая. В дальней зоне поля ведут себя близко к распространяющейся волне, а их амплитуда в свободном пространстве убывает примерно как 1/r.
Поэтому мне не нравится популярная фраза «поле отрывается от антенны». Никакой поверхности, за которой электромагнитное поле внезапно становится радиоволной, нет. Характер поля меняется постепенно, а границы зон вводят как удобные инженерные приближения.
Приёмная антенна использует ту же электродинамику в обратном направлении. Пришедшее поле возбуждает токи и напряжение на выводах. Для обычных пассивных линейных антенн из взаимных материалов действует принцип взаимности, поэтому передающая и приёмная диаграммы связаны между собой. Для активных, нелинейных или невзаимных систем простая формулировка уже требует оговорок.
Почему маленькую антенну нельзя получить бесплатно
На первый взгляд дальнейшая задача выглядит простой. Если полуволновой провод слишком длинный, его можно согнуть, свернуть, нагрузить ёмкостью или индуктивностью, положить на печатную плату либо использовать щель в проводящей поверхности. Именно так инженеры и поступают.
Но уменьшение физического размера не отменяет электрический размер. Когда максимальный размер антенны становится мал по сравнению с длиной волны, быстро растёт цена компромисса.
Один из фундаментальных результатов здесь связан с пределами Чу и Харрингтона. Для электрически малых пассивных антенн размер связан с минимально достижимой добротностью, а через неё с доступной полосой частот. Последующие работы уточняли границы для разных геометрий, потерь и способов настройки, но общий смысл сохранился. Одновременно сделать антенну очень маленькой, широкополосной, эффективной и простой становится всё труднее. Классическую работу Харрингтона о связи размера, усиления, полосы и эффективности хранит архив NIST.
Поэтому заявления о «революционной антенне в десять раз меньше без потерь» я бы воспринимала осторожно. Миниатюрная антенна может прекрасно работать, если требования позволяют узкую полосу. Согласующая цепь способна улучшить входное согласование. Резистивные потери способны даже визуально расширить полосу по S11. Активная электроника открывает дополнительные возможности. Но красивый график коэффициента отражения ещё не доказывает, что маленькая пассивная конструкция одновременно получила высокую эффективность и широкую рабочую полосу.
На высоких частотах возникает обратная проблема. Длина волны уменьшается, поэтому маленькие антенные элементы делать проще, зато всё сильнее начинают влиять небольшие геометрические отклонения, свойства диэлектриков, проводящие потери, переходы и взаимное расположение деталей.
Самый любопытный парадокс появляется при измерениях больших антенных решёток. Короткая миллиметровая волна вовсе не гарантирует, что дальняя зона окажется рядом с антенной. Для электрически большой апертуры характерная граница дальней зоны растёт примерно как 2D²/λ, где D представляет максимальный размер апертуры. Большая решётка на короткой волне способна потребовать настолько длинного измерительного расстояния, что инженеры переходят к компактным полигонам или измеряют ближнее поле с последующим математическим пересчётом в дальнее.
Зачем антенне компьютер, MIMO и искусственная рука
Простой диполь можно рассчитать практически вручную. Современный телефон уже нельзя честно представить как несколько независимых кусочков металла.
Печатная плата и металлические части корпуса становятся частью электромагнитной системы. Антенные элементы связаны между собой. Кабели, экран, аккумулятор и другие проводящие детали меняют токи и поля. Материалы корпуса добавляют диэлектрические потери и меняют эффективную длину волны. После сборки характеристики могут заметно отличаться от результатов отдельного антенного прототипа.
Поэтому инженеры решают всё те же уравнения Максвелла численно. Метод конечных элементов разбивает сложную область на множество элементов. FDTD рассчитывает развитие полей во времени на пространственной сетке. Метод моментов особенно удобен для ряда задач с проводниками и поверхностными токами. Конкретный решатель выбирают под геометрию, частоту, материалы и размер модели.
Компьютер здесь не заменяет старую физику. Компьютер позволяет применить старую физику к конструкции, которую невозможно разумно посчитать карандашом.
Причём фраза «современным антеннам нужен суперкомпьютер» тоже была бы преувеличением. Одиночную антенну или небольшой фрагмент платы легко моделировать на рабочей станции. Большая решётка, автомобиль, самолёт или подробная модель устройства с множеством материалов могут потребовать уже гораздо серьёзных вычислительных ресурсов.
Ещё интереснее выглядит влияние человека. Ткани организма содержат воду и обладают частотно-зависимыми диэлектрическими свойствами, поэтому голова и рука меняют электромагнитное окружение телефона. Возникают дополнительные потери, меняется согласование и искажается диаграмма.
Современные стандарты учитывают проблему буквально. При проверке радиохарактеристик мобильных устройств используют антропоморфные фантомы головы и рук. В актуальных процедурах 3GPP предусмотрены положения телефона с левой и правой искусственной рукой. Получается довольно наглядная картина инженерии XXI века. Чтобы проверить устройство, построенное на уравнениях XIX века, лаборатория помещает его в электромагнитную камеру, вкладывает в стандартизированную синтетическую ладонь и измеряет трёхмерное излучение.
Как старая интерференция превратилась в 5G
Фазированная антенная решётка особенно хорошо показывает разницу между физическим принципом и современной реализацией.
Если несколько элементов излучают одновременно, поля складываются. В направлениях, где фазы удачно совпадают, получается усиление. В других направлениях возникает частичная компенсация. Меняя относительные фазы и амплитуды каналов, система меняет диаграмму направленности без механического вращения всей конструкции.
Иногда говорят, что фазированная решётка «поворачивает радиолуч». Для интуитивного объяснения выражение годится, но физически никакая радиоструя внутри антенны не поворачивается. Электроника меняет возбуждение отдельных элементов, после чего интерференция формирует новую пространственную картину поля.
Современная сложность появляется из-за числа каналов. Нужно учитывать взаимную связь элементов, ошибки фазовращателей, усилители, температуру, калибровку и частотную зависимость компонентов. Маленькая фазовая ошибка одного элемента почти незаметна. Систематические ошибки большой решётки уже портят основной лепесток и повышают боковые.
MIMO использует ещё одно свойство радиоканала. Сигнал между передатчиком и приёмником часто идёт несколькими путями после отражений и рассеяния. В простой системе многолучевость способна ухудшать связь. В MIMO пространственные различия между путями при подходящих условиях позволяют передавать несколько независимых потоков или повышать устойчивость соединения.
y = Hx + n
В такой модели x представляет передаваемые сигналы, H описывает радиоканал между антеннами, n добавляет шум, а y содержит принятые сигналы. В реальной системе матрицу канала ещё нужно оценить, а затем подобрать схему кодирования и пространственной обработки.
Поэтому число антенн нельзя напрямую превращать в скорость. Телефон с четырьмя приёмными ветвями не обязан передавать данные в четыре раза быстрее телефона с одной. Выигрыш ограничивают качество сигнала, корреляция каналов, доступное число пространственных степеней свободы, возможности базовой станции и конкретная конфигурация радиолинии.
Похожая ошибка встречается с коэффициентом усиления. Пассивная антенна не производит дополнительную энергию. Направленная антенна перераспределяет излучение в пространстве. Чем сильнее поле концентрируется в нужном секторе, тем меньше его остаётся в других направлениях.
Наконец, хороший VSWR или S11 ещё не делает антенну хорошей. Показатель говорит прежде всего о согласовании входа. Идеально согласованный резистивный объект может принять мощность и превратить почти всю её в тепло. Поэтому инженеру нужны диаграмма направленности, радиационная эффективность, коэффициент усиления, поляризация и рабочая полоса, а для многопортовой системы ещё взаимная связь и показатели MIMO.
В результате я бы вообще не называла антенны технологией XIX века. XIX век дал электродинамический фундамент. Современная антенна представляет систему из материалов, СВЧ-электроники, вычислительных моделей, алгоритмов и механической конструкции, которая заставляет электромагнитное поле вести себя максимально близко к нужному инженеру сценарию.
Самое красивое здесь как раз отсутствие новой магии. Диполь радиолюбителя, антенна телефона, радар с электронной перестройкой луча и многоканальная панель базовой станции играют по одним законам. За полтора века человечество не научилось обходить Максвелла. Мы научились гораздо точнее пользоваться тем, что Максвелл описал.
