Полуволновый диполь Shure UA8

Приёмная антенна · УВЧ 470–636 МГц

Полуволновый диполь Shure UA8

Модель антенны Shure UA8-470-636 — полуволнового диполя на 470–636 МГц, тот же диапазон, что у приёмников Shure Axient Digital исполнения A. Снаружи она по чертежу Shure, а внутри у неё две половины диполя примерно по четверти волны (пластик кожуха делает их короче), между ними — точка питания, откуда сигнал по тонкому кабелю уходит к разъёму BNC. Волна от передатчика наводит в диполе ток. Меняйте частоту и смотрите, как меняются ток и согласование с кабелем; наклоняйте диполь на шарнире и поворачивайте поле волны — так видно, как поляризация меняет сигнал.

600 МГц
Диполь на шарнире
0°
45°

Расчёт: метод моментов для диполя внутри антенны — латунная трубка снизу и провод сверху в пластиковом кожухе — с тонким кабелем до разъёма и входом приёмника 50 Ом. Внутреннее устройство, пластик, латунь и кабель предположены. Колебания на рисунке сильно замедлены: на самом деле поле меняет направление около миллиарда раз в секунду.

Деталь под курсоромЭлектрическое поле волныТок: точки движутся туда, куда течёт токПоложительный заряд; в кабеле — жила положительнаОтрицательный зарядАнтенна Shure UA8-470-636 без приёмника. Всё, что снаружи, — по чертежу Shure (файл CAD с сайта Shure): вилка BNC, корпус, шарнир, кожух и колпачок. Кожух нарисован прозрачным, хотя он чёрный, чтобы было видно устройство внутри. Внутреннее устройство Shure не публикует: показано типовое для полуволнового диполя с питанием снизу — кабель, трубка, изолятор, провод; их размеры предположены, а длина половин подобрана расчётом. Волна приходит сзади, поперёк плоскости, в которой поворачивается диполь; показано только её электрическое поле вдоль одного луча, длина волны — в масштабе рисунка. Токи и заряды — из расчёта антенны на текущей частоте, точки-заряды и их размах условные.

Детали

Снаружи

Внутри (типовое устройство)

Физика

КСВ по частоте

Расчёт для предположенного устройства, у разъёма BNC. Полоса 470–636 МГц закрашена; точка — текущая частота.

КСВТекущая частотаПолоса UA8-470-636КСВ 2
Таблица значений
ЧастотаКСВ у разъёмаКСВ в точке питанияZ в точке питания

Усиление по частоте

КНД, усиление и усиление у разъёма BNC, дБи; расчёт для предположенного устройства.

КНДУсилениеУ разъёма BNCПолуволновый диполь: 2,15 дБи
Таблица значений
ЧастотаКНДУсилениеУ разъёмаКПД

Диаграмма направленности

Это свойство антенны целиком: с каких направлений она принимает сильнее. По принципу взаимности так же она и излучала бы.

КНД, дБи▲ 2,20−10−20−30▼ −37,8
Цвет поверхности — КНД в этом направлении, шкала справаСечения плоскостями через ось диполяСечение плоскостью поперёк осиДиполь стоит так же, как на рис. 1. Рисунок можно поворачивать: тяните его мышью или пальцем, нажимайте стрелки на клавиатуре или выбирайте вид кнопками под рисунком. Диаграмма нарисована так, как её рисует COMSOL: сплошная поверхность, чем дальше она от середины антенны, тем сильнее антенна принимает волну с этого направления. Шкала в децибелах, как у круговых графиков рядом: самая дальняя точка — максимум, а на 40 дБ ниже и слабее поверхность сходится в середину; цвет показывает то же самое, шкала справа — КНД в дБи. Вдоль своей оси диполь не принимает совсем, поэтому поверхность — «бублик», и диполь проходит через его отверстие. Четверть поверхности со стороны зрителя вырезана; края выреза — сечения плоскостями через ось, как на левом круговом графике, а пунктир — сечение поперёк оси, как на правом. Диаграмма описывает дальнюю зону, от метра и дальше, поэтому нарисована крупнее антенны, с центром в середине диполя; её размер на рисунке условный.
Вид:поворот 30°, наклон 20°

В плоскости через ось диполя

Диполь смотрит вверх. Кольца — через 10 дБ. Точка — направление на передатчик. Пунктир — тонкий диполь ровно λ/2.

Поперёк оси диполя

Вид вдоль диполя. Во все стороны антенна принимает одинаково.

Учебник и модель

Тонкий полуволновый диполь в свободном пространстве — по учебнику Balanis (гл. 4), кроме сопротивления и КСВ в резонансе: они по нашему расчёту тонкого провода. Диполь в UA8 отличается от него толщиной трубки, пластиком кожуха, разной толщиной половин и кабелем внутри.

Тонкий полуволновый дипольДиполь в UA8 по расчёту
Длина диполя в резонансечуть короче λ/2: 0,47–0,48 λ, тем ближе к 0,48 λ, чем тоньше провод235 мм = 0,428 λ на 546,7 МГц: пластик укорачивает
Сопротивление в точке питания73,1 + j42,5 Ом при длине ровно λ/2 — предел бесконечно тонкого провода; в резонансе около 72 Ом (наш расчёт)63,6 Ом в резонансе, на 546,7 МГц
КНД2,15 дБи2,08 дБи на 546,7 МГц, от 1,99 до 2,22 дБи в полосе
Ширина луча по −3 дБ78°80° на 546,7 МГц, от 83° до 76° в полосе
КСВ относительно 50 Омоколо 1,44 в резонансе (72 Ом); 2,2 при длине ровно λ/2у разъёма BNC 1,26 на 546,7 МГц, 4,9 на 470 МГц и 3,7 на 636 МГц; в точке питания 1,27, 5,7 и 4,2
ПотеринетКПД 98,7–99,4 % в полосе: латунь и пластик; в кабеле внутри — ещё 0,24–0,28 дБ

Как волна наводит ток. Когда волна приходит к приёмной антенне, в ней наводится напряжение (NEETS, модуль 10, с. 4-2). Лучше всего антенна принимает, когда направлена вдоль электрического поля волны (с. 4-9); ток при этом пропорционален косинусу угла ψ между антенной и полем, а мощность — квадрату косинуса (Balanis, гл. 2). Ток наибольший в середине полуволновой антенны, а на концах его нет (с. 4-5); там, где ток мал, велико напряжение, и наоборот (с. 4-21). Заряды отстают от тока на четверть периода и каждые полпериода меняют знак (с. 4-5). Свойства антенны при приёме и передаче одни и те же, и принимает она лучше всего с тех направлений, куда сильнее излучает (с. 4-8).

Что взято у Shure. UA8 — «½ Wave Dipole Antenna», полуволновый диполь; Shure пишет, что его можно поставить под 45° к горизонтали или к вертикали. Вариант UA8-470-636 — на 470–636 МГц, тот же диапазон, что у приёмника Axient Digital AD4D исполнения A. Наружная форма и размеры — из чертежа Shure «UA8-470-636 Website CAD» (масштаб 1:1, размеры в мм): вилка BNC, длина 349 мм, Ø15,25 мм у корпуса и шарнира, 317,25 мм от низа шарнира до конца при вертикальном диполе, 46,80 мм от торца вилки до дальнего края шарнира, три положения — 90°, 45° и в линию. На чертеже подписано: «assembly length may vary dependent on operating frequency» — длина зависит от диапазона. КСВ, усиление и внутреннее устройство UA8 Shure не публикует.

Что предположено. Внутри показан типовой полуволновый диполь с питанием снизу (словарь IALA; патент US8593363): тонкий кабель 50 Ом — RG-178, Ø1,8 мм — идёт по оси от вилки через шарнир к точке питания; нижняя половина — латунная трубка Ø8 мм, соединённая вверху с оплёткой и открытая внизу; верхняя половина — латунный провод Ø1,6 мм, припаянный к центральной жиле; он кончается в 4 мм от конца колпачка. Половины одинаковой длины; длина подобрана так, чтобы антенна была в резонансе на 546,7 МГц — в середине полосы (среднее геометрическое 470 и 636 МГц). Получилось 117,3 мм на половину, точка питания в 227,7 мм от торца вилки. Пластик кожуха — ε = 2,6, тангенс угла потерь 0,01; стенка толстой части 2 мм с воздухом внутри, конус и тонкая часть — сплошные вокруг провода. Латунь — проводимость 1,5·10⁷ См/м. Кабель — с потерями RG-178 по паспорту Huber+Suhner, 1,1–1,2 дБ/м в полосе, на всей длине от торца вилки до точки питания. Нижняя трубка вместе с кабелем внутри — запирающий стакан, и в расчёте он идеальный: по оплётке ниже трубки ток не течёт. На деле четверть волны в таком стакане с воздухом внутри укладывается около 610 МГц, на нижнем краю полосы он запирает заметно слабее, а даже точный четвертьволновый стакан не убирает ток по оплётке полностью (US8593363); поэтому у настоящей антенны КСВ на краях полосы может заметно отличаться от расчёта. Корпус приёмника не нарисован и не учтён — антенна в свободном пространстве; учтён только вход приёмника 50 Ом.

Как считается. Антенна разбита вдоль оси на короткие участки, и токи в них подобраны так, чтобы поле на поверхности металла было таким, каким оно должно быть, — это метод моментов; ток на каждом участке — кусок синусоиды (Richmond, 1974). Ток течёт по поверхности трубки и провода, а влияние участков друг на друга считается точно, как для соосных колец, через полный эллиптический интеграл первого рода (NIST DLMF, §19.8): так толстая трубка и тонкий провод учтены своими настоящими радиусами. Упрощено место питания: ток по торцу трубки не считается, а зазор с изолятором заменён зазором нулевой длины. Пластик учтён по Richmond и Newman (Radio Science, 1976): он увеличивает ёмкость металла, и это выражено через сами заряды на металле, без новых неизвестных. Для плавно меняющегося заряда провод в пластике ведёт себя как голый провод потолще — радиуса a·(b/c)1 − 1/ε, где a — радиус металла, c и b — внутренний и наружный радиусы пластика; так провод в изоляции и заменяет Stearns, добавляя ещё индуктивность и меняя проводимость, чтобы индуктивность и потери остались прежними. Для синусоидального тока это похоже на добавочную индуктивность μ0/(2π)·(1 − 1/ε)·ln(b/c) на метр, но лишь в первом приближении. Связанные заряды на обеих поверхностях слоя пластика считаются кольцами, и их поле на металле берётся полностью, а не только прямо над зарядом, — так поправка не раздувается у концов и у точки питания, где заряд меняется резко; это наше дополнение к способу Richmond и Newman. Латунь — сопротивление поверхности с учётом скин-эффекта. Кабель внутри согласован с входом приёмника 50 Ом и только ослабляет сигнал. При приёме волна наводит ЭДС вдоль диполя, а ток в нём и сигнал на входе приёмника находятся из одной системы уравнений.

Проверки. Тонкий диполь ровно λ/2 (радиус 0,05 мм, 300 МГц): у нас 79,4 + j44,9 Ом, в NEC-2 — 79,3 + j45,3 Ом. 73,1 + j42,5 Ом из учебника — предел бесконечно тонкого провода; у провода конечной толщины сопротивление выше, около 80 Ом (так пишет и патент US8593363). КНД 1,647 (по учебнику 1,643), ширина луча 77,6° (78°). Для радиусов 0,05 и 0,5 мм активное сопротивление совпадает с NEC-2 с точностью 0,2 %, реактивное — до 4 %. Прямой диполь из провода Ø1,6 мм в пластике Ø5,6 мм с ε = 2,6, как в тонкой части UA8: у нас пластик сдвигает резонанс вниз на 10,4 %, в NEC-2 с заменой провода по Stearns — на 10,5–10,7 %; если же учесть пластик только добавочной индуктивностью, сдвиг выходит 7,9 %. Приём и передача дают одно и то же усиление, как и должно быть по принципу взаимности; при дроблении на более мелкие участки результат сходится.

Что получилось. Пластик укорачивает диполь: без него половины для резонанса на 546,7 МГц были бы по 128,7 мм, а с ним — по 117,3 мм. В середине полосы сопротивление 63,6 Ом, КСВ у разъёма 1,26; ниже 2 он от 513 до 580 МГц, а на краях полосы — 4,9 на 470 МГц и 3,7 на 636 МГц. В самой точке питания КСВ выше — 5,7 и 4,2: потери в кабеле скрывают часть рассогласования, и прибор на разъёме покажет меньше. Полоса 470–636 МГц широкая, около 30 %, и простой полуволновый диполь целиком её не перекрывает; насколько хорошо согласован настоящий UA8, Shure не указывает, а внутреннее устройство здесь предположено. На краях полосы антенна хуже согласована с 50 Ом и отдаёт в кабель не всю принятую мощность: потеря до 2,9 дБ, и ещё 0,24–0,28 дБ теряется в самом кабеле. КНД в полосе — от 2,0 до 2,2 дБи, КПД (латунь и пластик) — от 98,7 до 99,4 %. Свою антенну можно проверить прибором NanoVNA: КСВ на разъёме BNC от 450 до 750 МГц покажет, где у неё резонанс и насколько он совпадает с расчётом.

Источники: Shure UA8 · чертёж Shure «UA8-470-636 Website CAD» (DXF и PDF) · Shure, руководство Axient Digital AD4D · патент US8593363 · Huber+Suhner, кабель RG 178 B/U, паспорт · словарь IALA: quarter wave skirt dipole · NEETS, модуль 10, с. 4-1–4-10 (ВМС США) · NEETS, модуль 10, с. 4-21–4-30 · J. H. Richmond, Radiation and scattering by thin-wire structures in the complex frequency domain, NASA CR-2396, 1974 · J. H. Richmond, E. H. Newman, Dielectric coated wire antennas, Radio Science 11 (1), 1976 · S. Stearns, Modeling insulated wire (ARRL) · NIST DLMF, §19.8 · C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley (гл. 2, 4 и 8).

Рисунки сделаны набором Anatomy (лицензия MIT, © 2026 Ryan).