Спиральная антенна PWS S8089

Приёмная антенна · УВЧ · круговая поляризация

Спиральная антенна PWS S8089

Модель антенны PWS S8089 (у Shure она продаётся как HA-8089): медная лента, намотанная спиралью в четыре витка внутри прозрачной трубки, перед круглым отражателем. Спираль принимает вдоль своей оси, и в круговой поляризации — когда поле волны поворачивается. Поэтому сигнал передатчика со штыревой антенной не пропадает, как бы её ни наклонили: такую волну спираль принимает примерно вдвое слабее, но при любом наклоне. Меняйте частоту и поляризацию волны и смотрите, как ток бежит по спирали и что доходит до разъёма.

650 МГц
Поляризация волны
0°
45°

Расчёт сделан заранее, через каждые 10 МГц: спираль, согласующая полоса и отражатель по размерам 3D-модели, трубка из поликарбоната и потери в меди; приёмник 50 Ом прямо на разъёме. Колебания на рисунке сильно замедлены: на самом деле поле поворачивается сотни миллионов раз в секунду.

Деталь под курсоромЭлектрическое поле волны; бледнее — та его часть, что за осьюТок: точки движутся туда, куда течёт токПоложительный зарядОтрицательный зарядАнтенна PWS S8089 без стойки и кабеля. Форма и размеры — по 3D-модели SketchUp: отражатель из сетки в ободе, прозрачная трубка, медная лента спирали на её внутренней стенке, медная полоса у отражателя, разъём BNC за сеткой, крепление внизу. Как полоса соединена со спиралью, на 3D-модели не видно — показано соединение, принятое в расчёте. Волна приходит спереди вдоль оси; нарисовано только её электрическое поле вдоль одного луча, длина волны — в масштабе рисунка. Токи и заряды — из расчёта антенны на выбранной частоте, с приёмником 50 Ом на разъёме; размах движения точек и яркость зарядов условные, но одинаковые для всех поляризаций на одной частоте.

Детали

Снаружи

Внутри, видно сквозь трубку

Физика

КСВ по частоте

Расчёт по 3D-модели, на разъёме BNC. Полоса из паспорта PWS закрашена; точка — выбранная частота.

КСВВыбранная частотаПолоса PWS 460–900 МГцКСВ 2
Таблица значений
ЧастотаКСВZ на разъёме

Усиление на оси по частоте

Для правой и левой круговой поляризации и для правой — с потерями на рассогласование, дБи; расчёт по 3D-модели.

Правая круговаяОна же на разъёмеЛевая круговаяПаспорт PWS: 10–12 дБи
Таблица значений
ЧастотаПраваяНа разъёмеЛеваяЭллиптичностьВперёд/назад

Диаграмма направленности

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

Усиление,дБи▲ 9,40−10−20−30▼ −30,6
Цвет поверхности — усиление в этом направлении, шкала справаКрая выреза — сечения плоскостями через осьСечение плоскостью отражателяАнтенна 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, и чем дальше она от середины отражателя, тем сильнее антенна принимает волну с этого направления. Шкала в децибелах: самая дальняя точка — наибольшее усиление, а на 40 дБ ниже и слабее поверхность сходится в середину; цвет показывает то же самое, шкала справа — усиление в дБи для обеих круговых поляризаций вместе. Четверть поверхности со стороны зрителя вырезана. Диаграмма описывает дальнюю зону — от нескольких метров и дальше, поэтому её размер на рисунке условный.
Вид:поворот 58°, наклон 22°

Вид сверху

Горизонтальная плоскость через ось, ось антенны — вправо; «влево» и «вправо» — если стоять за антенной лицом вперёд. Кольца — через 10 дБ от наибольшего усиления. Сплошная — правая круговая, пунктир — левая.

Правая круговаяЛевая круговая

Вид сбоку

Вертикальная плоскость через ось. Обозначения те же.

Паспорт и расчёт

Что пишет PWS в паспорте S8089 и на странице антенны и что даёт расчёт для антенны с размерами 3D-модели.

PWSРасчёт по 3D-модели
Полоса460–900 МГцКСВ меньше 2 — 500–770 и 795–850 МГц; усиление на оси 9 дБи и больше — 640–850 МГц
Усиление на оси10–12 дБидо 10,6 дБи на 780 МГц (правая круговая); 3,1 дБи на 470 МГц, 5,7 дБи на 900 МГц
Ширина луча63°63° на 640 МГц, 58° на 700 МГц, 47° на 850 МГц
Ослабление назад12 дБ9 дБ на 650 МГц, 12 дБ на 750 МГц, 15 дБ на 850 МГц
Сопротивление50 ОмКСВ 8,0 на 470 МГц, 1,55 на 550, 1,34 на 650, 1,71 на 750, 1,83 на 850, 2,15 на 900 МГц
Поляризациякруговая; правая или левая — не указаноправая — спираль на 3D-модели намотана как обычный винт; эллиптичность на оси 3,0 дБ на 700 МГц
РазъёмBNC, розетка, угловаяна 3D-модели — прямой круглый корпус Ø17,6 мм за сеткой
Габариты13,6 × 13,6 × 13,25″ (345 × 345 × 337 мм)обод Ø340 мм; от задней стороны обода до конца трубки 330 мм

Как работает спираль. Когда окружность витка спирали близка к длине волны, ток бежит по ленте волной, которая за виток отстаёт примерно на один период, и витки принимают согласованно — с направления вдоль оси, спереди; поле такой волны поворачивается вокруг оси, это круговая поляризация (Kraus, 1949). По учебнику (Balanis, гл. 10, по Kraus) так спираль работает, когда окружность витка C — от 3/4 до 4/3 длины волны, а угол подъёма витков — 12–14°. Тогда на оси КНД (коэффициент направленного действия — усиление без учёта потерь) примерно равен 15·N·(C/λ)²·S/λ, ширина луча — 52°/(C/λ·√(N·S/λ)), а эллиптичность — (2N + 1)/(2N); S — шаг, N — число витков. У S8089 по 3D-модели C = 403 мм, S = 78,4 мм, N = 4, а угол подъёма 11° — чуть меньше рекомендуемого, так что эти правила здесь — только ориентир. По ним в воздухе она работала бы на 557–991 МГц, а на 743 МГц, где окружность витка равна длине волны, дала бы КНД 10,7 дБи, луч 59° и эллиптичность 1,0 дБ. Сама спираль принимает в основном спереди; отражатель у её начала ещё ослабляет приём сзади.

Круговая поляризация. По стандарту IEEE Std 145 поляризация правая, если поле поворачивается по часовой стрелке, когда смотришь вслед волне. Спираль, намотанная как обычный винт, — правая и принимает с оси правую круговую поляризацию; волну левой поляризации той же силы на 650 МГц она принимает на 15 дБ слабее. Волну линейной поляризации — например, от передатчика со штыревой антенной — она принимает примерно вдвое (на 3 дБ) слабее правой круговой, но при любом наклоне штыря: на 650 МГц — на 1,6–4,7 дБ слабее в зависимости от наклона, потому что поляризация самой антенны не точно круговая. Поэтому сигнал не пропадает, когда артист наклоняет или поворачивает микрофон или передатчик, — об этом и пишет PWS. Исключение — когда штырь передатчика направлен прямо на антенну: в эту сторону он почти не излучает, и круговая поляризация тут не поможет.

Что взято у PWS. Паспорт S8089: 460–900 МГц, 50 Ом, ширина луча 63°, усиление на оси 10–12 дБи, ослабление назад 12 дБ, разъём BNC (розетка, угловой), крепление 5/8″-27 и 3/8″-16, прозрачный поликарбонат. На странице антенны: круговая поляризация, жёсткая спираль, габариты 13,6 × 13,6 × 13,25 дюйма. Правая поляризация или левая, PWS не пишет. Форма и размеры — из 3D-модели SketchUp «PWS - Helical Antenna» (автор в 3D Warehouse — odysseas): отражатель — сетка Ø306 мм в ободе Ø340 мм толщиной 10 мм; трубка Ø140 мм со стенкой 5 мм и длиной 325 мм; медная лента шириной 8,8 мм на внутренней стенке трубки — 4 витка правой намотки, Ø128 мм по середине ленты, шаг 78,4 мм; медная полоса 10 × 2,5 мм длиной 120 мм в 5 мм над сеткой; центральный контакт разъёма — в 46,2 мм от оси. Размеры модели близки к паспортным: Ø340 мм против 345 мм и 330 мм от задней стороны обода до конца трубки против 337 мм.

Что предположено. На 3D-модели конец полосы не доходит до спирали 19 мм; в расчёте они соединены коротким отрезком там, где спираль пересекает линию полосы, поэтому спираль в расчёте на 0,05 витка короче. Сетка отражателя считается сплошным металлом — её ячейки много меньше длины волны — и заходит под обод на 7 мм: диск Ø320 мм. Поликарбонат — ε = 2,96 и тангенс угла потерь 0,010, как у SABIC LEXAN 121 на частоте 1 МГц; на сотнях мегагерц у поликарбоната эти числа немного другие, а точных данных для этой трубки нет. Медь — проводимость 5,8·10⁷ См/м. Крепление, корпус разъёма и кабель в расчёте не участвуют: приёмник 50 Ом стоит прямо на разъёме.

Как считается. Методом моментов: провода разбиты на короткие отрезки, ток в каждом — кусок синусоиды, и токи подобраны так, чтобы поле на поверхности металла было таким, каким оно должно быть (Richmond, 1974). Плоская лента заменена круглым проводом радиусом в четверть её ширины, 2,2 мм (Butler, 1982). Полоса над сеткой — круглый провод на той же высоте; его радиус подобран так, чтобы в расчёте получилась линия с тем же волновым сопротивлением, что у полосы, — 81 Ом по формуле Hammerstad для полосковой линии. Пластик трубки замедляет волну тока в ленте; его действие найдено двумерным расчётом поля ленты на стенке толщиной 5 мм и учтено слоем пластика вокруг провода, способом Richmond и Newman (1976). Медь — сопротивление поверхности с учётом скин-эффекта. Потери в меди и пластике забирают 2 % мощности на 650 МГц и 9 % на 900 МГц. Считаются две модели одной антенны. В первой отражатель — бесконечная металлическая плоскость, а сигнал снимается с разъёма; из неё — сопротивление, КСВ и токи на рис. 1. Во второй отражатель — настоящий диск Ø320 мм, сетка проводов с шагом 12 мм, радиус проводов — по правилу равных площадей (Rubinstein и др., 2005), а полосы нет: спираль питается прямо у отражателя; из неё — усиление, поляризация и диаграмма направленности. Напряжение на входе приёмника — через эффективную площадь антенны λ²·G/(4π), с учётом потерь на поляризацию и рассогласование. На 550–850 МГц обе модели одинаково, с разницей до 2,3 дБ, отличают правую поляризацию от левой; ниже 550 МГц, на 860–880 МГц и выше 950 МГц расхождение доходит до 6–8 дБ: там сильнее сказывается разница между моделями — бесконечный отражатель и полоса в первой.

Проверки. Полуволновой диполь из провода Ø1 мм на 300 МГц: 83,7 + j46,1 Ом, КНД 1,650, излучённая мощность равна подведённой. Четвертьволновый штырь на бесконечной плоскости: у нас 41,8 + j23,1 Ом, в NEC-2 — 41,6 + j24,0 Ом; Г-образная антенна: у нас 1,72 − j36,1 Ом, в NEC-2 — 1,74 − j35,8 Ом. Спираль тех же размеров из провода радиусом 1 мм над плоскостью, без трубки, с питанием коротким вертикальным проводом того же радиуса: токи вдоль спирали совпадают с NEC-2 до 1–2 % (кроме самого конца, где ток мал), сопротивление на 650, 750 и 900 МГц — 222 − j62, 162 − j31 и 122 − j49 Ом у нас и 223 − j65, 164 − j33 и 122 − j50 Ом в NEC-2. Если питающий провод вдвое тоньше, у нас сопротивление меняется на несколько ом, как и следует от лишней индуктивности 7 мм провода, а в NEC-2 — на 18–20 %; причину этого расхождения мы не выяснили. Полосу и штырь разъёма, от которых больше всего зависит КСВ, NEC-2 проверить не смог: для такой толстой полосы так близко к сетке его модель провода не подходит (с расширенным ядром он дал отрицательное сопротивление). Их проверяла только упрощённая модель без трубки, где полоса — отрезок линии 81 Ом, а спираль посчитана отдельно: с первой моделью она расходится на 2–12 % на 650–900 МГц, на 19 % на 600 МГц и на 35–38 % на 500–550 МГц. Вторая модель без трубки против NEC-2 на тех же проводах: форма диаграммы та же, но NEC-2 теряет почти половину мощности в узле сетки, где стоит источник, — усиление, усреднённое по всем направлениям, у него 0,53 вместо 1, у нас 0,9997; с этой поправкой усиление вперёд на 700 МГц у NEC-2 9,39 дБи, у нас 9,40 дБи. Шаг сетки 16, 12 и 9 мм меняет усиление меньше чем на 0,1 дБ, а диаметр диска от 306 до 340 мм — на ±0,25 дБ. Напряжение на входе приёмника на 650 МГц из первой модели напрямую — 147 мкВ, через усиление второй — 136 мкВ; разница 0,6 дБ — модели различаются отражателем и полосой. Без трубки на 743 МГц расчёт даёт КНД 10,0 дБи, а приближённая формула Kraus — 10,7 дБи.

Что получилось. Трубка заметно сдвигает спираль вниз по частоте: без неё наибольшее усиление было бы 11,3 дБи на 940 МГц, с ней — 10,6 дБи на 780 МГц. Усиление на оси 9 дБи и больше — на 640–850 МГц, 10 дБи и больше — только на 710–830 МГц; КСВ меньше 2 — на 500–770 и 795–850 МГц, а между ними и выше, до 900 МГц, — до 3,2. Ниже примерно 550 МГц окружность витка слишком мала: поляризация становится почти линейной, луч расплывается, на 470 МГц усиление — всего 3,1 дБи при КСВ 8,0. Так что для размеров 3D-модели расчёт не подтверждает паспортные 460–900 МГц и 10–12 дБи: полоса выходит уже, а усиление доходит только до нижней границы паспорта. Возможно, настоящая антенна отличается от 3D-модели — числом и шагом витков, тем, как полоса соединена со спиралью, пластиком трубки, — а возможно, паспорт оптимистичен. Свою антенну можно проверить прибором NanoVNA: КСВ на разъёме BNC от 400 до 1000 МГц покажет, где она согласована, и это можно сравнить с графиком выше.

Другие спиральные антенны. У PWS есть низкая TS Helical S4540 — по её паспорту 460–900 МГц, 7–9 дБи на оси, луч 72°, ослабление назад 14 дБ — и STL Helical на 900–1000 МГц с лучом 72°. Складная RF Venue CP Beam по паспорту работает на 470–698 МГц, поляризация — правая круговая, усиление 9 дБд, то есть 11,1 дБи (дБд — децибелы относительно полуволнового диполя, на 2,15 меньше, чем дБи), луч 63° и 70°.

Источники: PWS, Helical Antenna · PWS, S8089 Helical Antenna, паспорт · 3D-модель SketchUp «PWS - Helical Antenna» (3D Warehouse) · Shure HA-8089 · PWS, TS Helical Antenna · PWS, S4540 TS Helical Antenna, паспорт · PWS, STL Helical Antenna · RF Venue, CP Beam · RF Venue, CP Beam Specifications · J. D. Kraus, The helical antenna, Proc. IRE 37 (3), 1949 · C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, Wiley (гл. 2 и 10) · IEEE Std 145-2013, Standard for Definitions of Terms for Antennas (сейчас действует редакция 2025 г.) · SABIC, LEXAN 121 resin, паспорт · 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 · C. M. Butler, The equivalent radius of a narrow conducting strip, IEEE Trans. AP 30 (4), 1982 · E. O. Hammerstad, Equations for microstrip circuit design, 5th European Microwave Conference, 1975 · A. Rubinstein, F. Rachidi, M. Rubinstein, On wire-grid representation of solid metallic surfaces, IEEE Trans. EMC 47 (1), 2005 · NEC-2 (necpp).

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