Антенна Shure UA864

Приёмная антенна · УВЧ · направленная · активная

Антенна Shure UA864

Настенная активная направленная антенна для радиосистем на 470–698 МГц (версии UA864US и UA864LO): плоский корпус на стену или потолок, усилитель внутри. Корпус на рисунке — по чертежу Shure. А что внутри, Shure не публикует, поэтому там показана одна из двух моделей на выбор. Первая — патч в четверть волны с замыкающей стенкой, один из самых простых вариантов из учебников, вписанный в корпус и настроенный на 585 МГц, частоту паспортных диаграмм. Вторая — одна плоская спираль и металлическая пластина: по неофициальным сведениям, внутри именно спираль над пластиной, но размеры неизвестны. Когда спираль стояла перед пластиной, как обычно у спиральных антенн, модель принимала сильнее со стороны стены, чем из комнаты, поэтому в нашей модели наоборот: пластина стоит перед спиралью, между ней и крышкой, а размеры спирали подобраны так, чтобы её диаграмма была ближе всего к паспортной. На 585 МГц обе модели, как и паспортные диаграммы Shure, принимают в основном спереди, но точно с паспортом не совпадает ни одна. Меняйте модель, частоту и поляризацию волны и смотрите, как течёт ток и сколько сигнала доходит до точки питания.

Что внутри
590 МГц
Поляризация волны
0°
Переключатель усиления
45°

Расчёт сделан заранее, через каждые 10 МГц, для обеих моделей: весь металл модели — медь с её потерями, вокруг воздух; нагрузка 50 Ом прямо в точке питания. Колебания на рисунке сильно замедлены: на самом деле поле меняется сотни миллионов раз в секунду.

Деталь под курсоромЭлектрическое поле волны; бледнее — та его часть, что дальше от зрителяТок: точки движутся туда, куда течёт токПоложительный зарядОтрицательный зарядАнтенна Shure UA864 без монтажной пластины. Корпус — по чертежу Shure: квадрат 176,2 мм, толщина 41,4 мм; крышка нарисована прозрачной. Внутреннее устройство Shure не публикует, поэтому внутри — модель расчёта, одна из двух на выбор: патч в четверть волны над заземлённой пластиной, с замыкающей стенкой и штырём питания (патч и стенка нарисованы полупрозрачными, чтобы был виден штырь), или одна плоская спираль у задней стороны корпуса с металлической пластиной перед ней и штырём питания от центра спирали к пластине (пластина нарисована полупрозрачной, чтобы была видна спираль), — по неофициальным сведениям, в UA864 именно спираль и пластина. Волна приходит спереди вдоль оси; нарисовано только её электрическое поле вдоль одной прямой — оси антенны, длина волны — в масштабе рисунка. Токи и заряды — из расчёта на выбранной частоте, с нагрузкой 50 Ом в точке питания вместо усилителя; размах движения точек и яркость зарядов условные, но одинаковые для всех поляризаций на одной частоте одной модели.

Детали

Снаружи — по чертежу Shure

Внутри — модель расчёта

Физика

КСВ по частоте

КСВ самой антенны выбранной модели — в точке питания, до усилителя, относительно 50 Ом. Это не КСВ настоящей UA864: у неё сразу за антенной стоит усилитель, а КСВ Shure в инструкции не указывает — там только выход 50 Ом, разъём BNC. Полоса 470–698 МГц из паспорта Shure закрашена; точка — выбранная частота. Если в этой полосе КСВ модели нигде не опускается ниже 3, как у спирали, шкала логарифмическая, до 100.

КСВВыбранная частотаПолоса Shure 470–698 МГцКСВ 2
Таблица значений
ЧастотаКСВZ в точке питания

Усиление на оси по частоте

Для вертикальной поляризации, дБи: у самой антенны модели без усилителя и с учётом потерь на рассогласование с нагрузкой 50 Ом. Ромб — паспорт Shure: 2,5 дБи на средней частоте полосы вместе с усилителем на «0 дБ».

ВертикальнаяОна же на 50 ОмПаспорт Shure
Таблица значений
ЧастотаВертикальнаяНа 50 ОмВперёд/назадЛуч

Диаграмма направленности

Рисунок и графики — расчёт выбранной модели: с каких направлений и в какой поляризации она принимает сильнее. Настоящая диаграмма UA864 из инструкции Shure есть только на 585 МГц и в двух плоскостях — она нарисована на графиках серым. По принципу взаимности так же она и излучала бы; настоящая UA864 с усилителем только принимает.

Усиление,дБи▲ 3,50−10−20−30▼ −36,5
Цвет поверхности — усиление в этом направлении, шкала справаКрая выреза — сечения плоскостями через осьСечение плоскостью стеныАнтенна висит так же, как на рис. 1: стена позади неё, сама стена в расчёте не участвует. Рисунок можно поворачивать: тяните его мышью или пальцем, нажимайте стрелки на клавиатуре или выбирайте вид кнопками под рисунком. Диаграмма нарисована сплошной поверхностью: чем дальше она от середины антенны, 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 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 у стены лицом в комнату. Кольца — через 10 дБ от наибольшего усиления. Сплошная — вертикальная поляризация, пунктир — горизонтальная: это расчёт выбранной модели на выбранной частоте. Серая линия с точками — настоящая диаграмма UA864 из инструкции Shure, на 585 МГц, от своего наибольшего значения; там, где её на картинке закрывают подписи и стена, точек нет.

ВертикальнаяГоризонтальнаяПаспорт Shure, 585 МГц

Вид сбоку

Вертикальная плоскость через ось. Обозначения те же.

Паспорт и расчёт

Что пишет Shure в инструкции UA864 и что дают обе модели. Диаграммы — на 585 МГц, для которой у Shure есть паспортные: серая линия с точками — паспорт, снятый с картинки с точностью около 0,5 дБ, цветные — модели; каждая кривая — от своего наибольшего значения, кольца — через 5 дБ. У самой стены и там, где кривую на картинке Shure закрывают подписи, точек нет.

Вид сбоку, 585 МГц
Вид сверху, 585 МГц
ПатчСпиральПаспорт Shure
ShureПатчСпираль
Полоса470–698 МГц (UA864US, UA864LO)КСВ меньше 2 у самой антенны модели — только около 571–601 МГц, меньше 3 — около 562–612 МГц; на 470 МГц до нагрузки 50 Ом доходит 6 % мощности, на 700 МГц — 20 %КСВ меньше 2 у самой антенны модели — нигде в диапазоне расчёта; на 470 МГц до нагрузки 50 Ом доходит 1 % мощности, на 700 МГц — 3 %
Усиление на оси2,5 дБи на средней частоте, переключатель на «0 дБ»; на диаграмме Shure вперёд около 2,8 дБвертикальная поляризация: 3,3 дБи на 585 МГц — у самой антенны, без усилителя; 2,3 дБи на 470 МГц и 3,8 дБи на 700 МГцвертикальная поляризация: 3,6 дБи на 585 МГц — у самой антенны, без усилителя; 0,4 дБи на 470 МГц и 3,2 дБи на 700 МГц
Ширина луча100° на средней частоте; по диаграмме Shure около 99° в вертикальной и 108° в горизонтальной плоскости128° в вертикальной и 148° в горизонтальной плоскости на 585 МГц76° в вертикальной и 119° в горизонтальной плоскости на 585 МГц
Наклон лучасередина луча в вертикальной плоскости по диаграмме Shure — около 8° вниз, в горизонтальной — по оси15° вниз на 585 МГц13° вниз на 585 МГц; в горизонтальной плоскости луч смещён влево: половинная мощность — от 42° вправо до 77° влево от оси, если стоять у стены лицом в комнату
Ослабление назадпо оси, прямо вперёд против прямо назад: по диаграмме Shure около 7,3 дБ6,5 дБ на 585 МГц6,4 дБ на 585 МГц
Поляризацияполяризованная антенна: её поворачивают под передатчики, а как она повёрнута, показывает переключатель; внизу — вертикальная, для ручных и поясных передатчиковвертикальная; горизонтальную спереди по оси антенна модели почти не принимает: меньше −40 дБи на всех частотах расчёталинейная, но её направление поворачивается с частотой. Если смотреть на антенну спереди, лучше всего она принимает поле с наклоном от вертикали 16° влево на 470 МГц, 0° на 585 МГц (так повёрнута спираль) и 22° вправо на 700 МГц, а повёрнутое поперёк — больше чем на 25 дБ слабее на всех частотах полосы
Сопротивление50 Ом, BNC — на выходе усилителяу самой антенны на штыре 51,0 + j7,9 Ом на 585 МГцу самой антенны на штыре 1,8 − j4,1 Ом на 585 МГц
Питание и усиление10–15 В, 75 мА по кабелю; переключатель −20, −10, 0, +10 дБ (±1 дБ)усилителя в расчёте нетусилителя в расчёте нет
Габариты176 × 176 × 51 мм, 487 г; по чертежу — корпус 176,2 × 176,2 мм толщиной 41,4 мм, с разъёмом 49,6 мм, с монтажной пластиной 51,3 ммзаземлённая пластина 170 × 170 мм со скруглёнными углами и патч 150 × 107,5 мм в 20 мм над нейспираль Ø160 мм у задней стороны корпуса и пластина 165 × 170 мм со скруглёнными углами в 8 мм перед ней; штырь питания — от центра спирали к пластине

Как работает патч. Патч-антенна — металлическая пластина над заземлённой пластиной. У обычного патча длиной около половины длины волны ток бежит вдоль него от края к краю, а принимают и излучают в основном два его края — те, у которых собираются заряды (K. F. Lee; D. R. Jackson). Посередине такого патча электрическое поле между пластинами равно нулю, поэтому туда можно поставить замыкающую стенку и отрезать половину: получится патч в четверть волны, вдвое меньший, с одним излучающим краем (MathWorks; D. R. Jackson). В воздухе обычный патч на 585 МГц был бы длиной около 22,5 см — 0,44 длины волны, как у патча MathWorks, — и в корпус 17,6 см не поместился бы; патч в четверть волны помещается. Замыкающая стенка тоже излучает: она добавляет перекрёстную поляризацию и наклоняет луч в той плоскости, где лежит электрическое поле (R. Chair, 2002); в горизонтальной плоскости сбоку перекрёстная поляризация у таких патчей очень велика (R. Chair, K. F. Lee, K. M. Luk, 1999).

Как работает спираль. Однорукавная спираль над металлической пластиной — это один провод или одна полоска из двух частей: отрезка, перпендикулярного пластине, и самой спирали; сигнал снимают коаксиальным кабелем со стороны пластины, так же как у патча со штырём (Nakano и др., 1997). Обычно этот отрезок прямой; но с ним трудно получить чисто активное сопротивление для согласования с кабелем, и его, например, заменяют винтовым проводом, свёрнутым как пружина, — тогда сопротивление около 50 Ом (Nakano и др., 2003). Однорукавную спираль Архимеда, питаемую в центре, строит и MathWorks; по MathWorks, нижнюю границу полосы спирали задаёт её наружный радиус, а верхнюю — внутренний. Излучают у спирали над экраном «активные области» — витки с окружностью около одной и около двух длин волн; ток бежит по спирали волной, почти со скоростью света, и затухает к концу, а излучение — с круговой поляризацией; чтобы луч наклонился от оси, окружность наружного витка делают больше двух длин волн (Nakano и др., 1997). У двухрукавной спирали над бесконечным металлическим экраном в четверти волны круговая поляризация получается, когда окружность в 1,3–1,5 раза больше длины волны или больше чем в 2,9 раза (Nakano и др., 1986). Чтобы на спирали в воздухе был виток с окружностью в длину волны уже на 470 МГц, она должна быть 203 мм в диаметре; весь корпус UA864 — 176 мм, а наружный виток нашей спирали равен длине волны лишь на 612 МГц. На плате из диэлектрика волна вдоль полоски короче, и спираль может быть меньше; наша модель — в воздухе. И пластина в нашей модели стоит не позади спирали, как у Nakano и др., а перед ней — почему, сказано ниже.

Почему внутри модель. Shure не публикует, что внутри UA864. На пиктограммах в инструкции внутри корпуса нарисованы три полосы вдоль поляризации, а рядом сказано, что внутреннее устройство у разных версий антенны может отличаться; чертежа внутренностей нет. Антенны под рукой нет, разобрать её нельзя. Поэтому на странице две модели на выбор. Первая — патч в четверть волны в воздухе со штырём питания: после обзора литературы по патч-антеннам это один из самых простых вариантов, которые помещаются в корпус по чертежу Shure; его размеры подобраны так, чтобы он был согласован с 50 Ом около 585 МГц — частоты, для которой Shure даёт диаграммы направленности; это и середина полосы 470–698 МГц. Вторая — одна плоская спираль и металлическая пластина: по неофициальным сведениям, внутри UA864 — одна плоская спираль над металлической пластиной, но ни размеров, ни расстояний эти сведения не дают. Корпус, разъём и переключатель — по чертежу и инструкции Shure.

Что взято у Shure. Инструкция UA864: у версий UA864US и UA864LO полоса 470–698 МГц, усиление на оси 2,5 дБи на средней частоте с переключателем на «0 дБ», ширина луча 100° на средней частоте; диаграммы направленности на 585 МГц — вид сбоку и вид сверху; разъём BNC (розетка), 50 Ом — КСВ в инструкции не указан; питание по кабелю, 10–15 В, 75 мА; переключатель −20, −10, 0 и +10 дБ (±1 дБ); светодиод перегрузки загорается при −15 дБм; точка пересечения третьего порядка по выходу — больше 30 дБм; габариты 176 × 176 × 51 мм, масса 487 г. У других версий другие полосы: UA864HI — 530–790 МГц, 3,0 дБи, 95°; UA864A — 650–952 МГц, 5,5 дБи, 90°. Чертёж UA864 (DXF): корпус 176,2 × 176,2 мм со скруглёнными углами (R 22,08 мм), толщина 41,4 мм, с разъёмом — 49,6 мм, с монтажной пластиной — 51,3 мм; крышка спереди сужается сверху и снизу; разъём BNC — сверху, в 48,6 мм от левого края, если смотреть спереди. Паспортные диаграммы сняты с картинки инструкции с точностью около 0,5 дБ; у самой стены кривые закрыты двойной линией стены и рисунком антенны, там точек нет. Как повёрнута антенна на диаграммах, Shure не пишет; мы считаем, что переключателем вниз, как для ручных и поясных передатчиков, — тогда вид сбоку показывает вертикальную плоскость.

Что предположено. Заземлённая пластина патча — 170 × 170 мм со скруглёнными углами (R 19 мм, чтобы она помещалась в корпус), в 12 мм от задней стороны корпуса. Патч — 150 × 107,5 мм, в 20 мм над пластиной, между ними воздух; верхний край замкнут на пластину сплошной стенкой во всю ширину патча, нижний открыт. Штырь патча — Ø3 мм, в 31 мм от стенки, посередине ширины. Открытый край патча — внизу: тогда луч наклоняется вниз, как на диаграмме Shure; у перевёрнутого патча луч наклонился бы вверх. Спираль — одна медная полоска в форме спирали Архимеда: 3,4 витка, от радиуса 6 до 78 мм, шириной 4,3 мм, в 12 мм от задней стороны корпуса. Перед ней, в 8 мм, между спиралью и крышкой, — металлическая пластина 165 × 170 мм (высота × ширина) со скруглёнными углами (R 19 мм): выше пластина на этой глубине под скошенную крышку не помещается. Сначала спираль у нас стояла, как у Nakano и др., в 20 мм перед пластиной 170 × 170 мм, но тогда модель на 585 МГц принимала прямо сзади на 7,0 дБ сильнее, чем прямо спереди, а у Shure наоборот; поэтому пластину мы перенесли вперёд. Размер спирали, расстояние до пластины и поворот спирали мы затем подобрали по паспортной диаграмме Shure. В пробных расчётах на крупной сетке перебрали наружный радиус 66–82 мм и расстояние 6–16 мм; пластина каждый раз — наибольшая, какая помещается под крышку на своей глубине (с пластиной пониже — 140 и 120 мм — спереди антенна принимала не больше чем на 1,7 дБ сильнее, чем сзади, а то и слабее). Для каждого варианта число витков подбирали так, чтобы реактивная часть сопротивления обращалась в ноль на 585 МГц, а поворот — так, чтобы спереди лучше всего принималось вертикальное поле, и сравнивали диаграмму модели с точками паспортной. Ближе всего к паспорту вышел радиус 78 мм при расстоянии 8 мм: среднеквадратичное отличие — 2,6 дБ на виде сбоку и 1,7 дБ на виде сверху против 2,9 дБ на виде сбоку и 2,2 дБ на виде сверху у первого варианта с пластиной спереди (радиус 71 мм, 12 мм); полоска шириной 8 мм вместо 4,3 мм почти ничего не меняет. Внутренний конец спирали соединён с пластиной штырём Ø2 мм, у основания штыря, у пластины, — нагрузка 50 Ом; наружный конец свободен. Спираль повёрнута так, чтобы на 585 МГц она спереди лучше всего принимала вертикальное поле, а луч в вертикальной плоскости наклонялся вниз, как на диаграмме Shure: повёрнутая на 180° спираль принимает то же поле, но луч у неё наклонён вверх и смещён в другую сторону. Размеров и расположения настоящей спирали мы не знаем: эти подобраны нами. Металл — медь (5,8·10⁷ См/м), толщина пластин и полоски в расчёте не учитывается. Крышки, основания, усилителя, монтажной пластины и стены, на которой висит антенна, в расчёте нет; вместо усилителя у основания штыря стоит нагрузка 50 Ом.

Как считается. Методом моментов: каждая пластина заменена сеткой проводов с шагом 4,8 мм — на 585 МГц это меньше сотой доли длины волны, — радиус проводов подобран по правилу равных площадей (Rubinstein, Rachidi, Rubinstein, 2005); полоска спирали заменена проводом радиусом в четверть её ширины, как в функции strip2cylinder MathWorks, и разбита на отрезки по 6 мм; ток в каждом отрезке провода — кусок синусоиды (Richmond, 1974). Сопротивление антенны — через зазор у основания штыря. Для приёма на антенну спереди падает плоская волна вертикальной и горизонтальной поляризации, а у основания штыря стоит 50 Ом; токи и заряды на рис. 1 — из этого расчёта, для любой другой поляризации — сумма двух. Медь — сопротивление поверхности с учётом скин-эффекта; потери в ней забирают 0,3 % мощности на 590 МГц у патча и 26,8 % у спирали: сопротивление у спирали маленькое, и даже небольшие потери в меди становятся заметны. Вертикальная и горизонтальная поляризация на диаграммах — по третьему определению Людвига (Ludwig, 1973). Ослабление назад — по оси: усиление прямо вперёд против усиления прямо назад, обе поляризации вместе; в IEEE Std 145 его считают от наибольшего усиления, но у спирали модели на части частот луча вперёд нет, поэтому и для обеих моделей, и для диаграммы Shure берём ось. У спирали оно бывает и отрицательным: выше примерно 695 МГц прямо сзади она принимает сильнее, чем прямо спереди. У диаграммы Shure вид сбоку у самой оси закрыт подписями, поэтому значение на оси взято из вида сверху. Ширина луча — по половинной мощности, в вертикальной плоскости и в горизонтальной плоскости через ось, как на диаграммах Shure; наклон луча — середина между направлениями половинной мощности в вертикальной плоскости, и у моделей, и у диаграммы Shure. Ширину и наклон луча мы приводим, только когда спереди антенна принимает хотя бы на 3 дБ сильнее, чем сзади.

Сходимость. Сетку проверяли на 585 МГц. У патча при шаге 10, 8, 6,5 и 5,5 мм (неизвестных в расчёте — 1581, 2335, 6969 и 6695; при шаге 4,8 мм, с которым посчитана страница, — 8944) усиление на оси (обе поляризации вместе) — 3,30–3,35 дБи, ширина луча в вертикальной плоскости — 127,7–128,5°, в горизонтальной — 147,5–150,2°: диаграмма направленности от сетки почти не зависит. Линии сетки заземлённой пластины проходят ещё и через края патча, поэтому при одних шагах сетка под патчем гуще, чем при других, — при шаге 6,5 мм неизвестных даже больше, чем при 5,5 мм. А сопротивление на штыре патча не установилось: его активная часть — 34, 39, 46 и 49 Ом, а при шаге 4,8 мм — 51 Ом; с каждым уменьшением шага оно растёт. Значит, точного значения расчёт не даёт: если при ещё более мелкой сетке сопротивление вырастет, лучшее согласование сдвинется вверх по частоте, скорее всего на несколько мегагерц. У спирали при тех же шагах (неизвестных — 1094, 1506, 2142 и 3059; при 4,8 мм — 3756) прямо вперёд приём сильнее, чем прямо назад, на 6,34–6,57 дБ, а при шаге 4,8 мм — на 6,38 дБ; усиление на оси (обе поляризации вместе) — 3,45–3,58 дБи (при 4,8 мм — 3,59), активная часть сопротивления — 1,66–1,81 Ом (при 4,8 мм — 1,82); главный вывод — спереди сильнее, чем сзади, — от сетки не зависит.

Проверка другой программой. Что спираль модели за пластиной принимает спереди сильнее, чем сзади, — не ошибка нашего расчёта: ту же спираль за пластиной 165 × 170 мм мы посчитали ещё и программой NEC-2 — без скругления углов, без потерь в меди и с одной и той же для обеих программ сеткой проводов с шагом 8 мм, чтобы они считали одно и то же. Приём прямо вперёд против приёма прямо назад у обеих программ близок: на 470 МГц спереди сильнее на 2,5 дБ по NEC-2 и на 2,6 дБ по нашему расчёту, на 585 МГц спереди сильнее на 6,9 дБ по NEC-2 и на 6,8 дБ по нашему расчёту, а на 698 МГц сзади сильнее на 1,5 дБ по NEC-2 и на 2,8 дБ по нашему расчёту. У модели страницы — со скруглёнными углами, с потерями в меди и на сетке 4,8 мм — поровну становится около 695 МГц, а на 698 МГц спереди и сзади почти поровну (сзади сильнее на 0,4 дБ); у проверочной модели эта граница ниже. Где именно пластина перестаёт тянуть приём вперёд, зависит от подробностей модели. Сопротивление и усиление по двум программам близки, но не равны: на 585 МГц сопротивление — 1,4 − j8,0 Ом по NEC-2 и 1,1 + j0,6 Ом по нашему расчёту, усиление по оси вперёд (обе поляризации вместе) — 4,3 и 5,0 дБи. У антенны без потерь усиление, усреднённое по всем направлениям, должно быть равно 1; по нашему расчёту оно 1,000, по NEC-2 — 0,85, то есть у NEC-2 в этой задаче мощность на входе сходится с излучённой хуже. Поэтому сопротивление, КСВ и усиление спирали на странице — оценка; надёжно, что сопротивление спирали далеко от 50 Ом. Так же, как спираль, ведёт себя и простой диполь длиной 230 мм в 25 мм от квадратной пластины на 585 МГц, тоже в обеих программах: у пластины 170 мм (0,33 длины волны) приём сильнее со стороны пластины — на 7,4 дБ, а у пластин 260 мм и 400 мм (0,51 и 0,78 длины волны) — со стороны диполя, на 6,4–6,5 и 17,0–17,1 дБ. Это известное правило антенны «волновой канал»: металлическая деталь меньше своего резонансного размера (у тонкого стержня он около половины длины волны) работает как директор и тянет луч к себе, а больше — как рефлектор и отталкивает его (C. A. Balanis). В антенне «волновой канал» детали — отдельные стержни в десятых долях длины волны друг от друга, а здесь пластина гораздо ближе — 0,016 длины волны на 585 МГц, — поэтому сравнение приблизительное; но диполь всего в 25 мм от пластины в обеих программах ведёт себя именно так. У спирали так работает ток, который она и волна наводят на пластине; пластина к тому же служит «землёй» питания — к ней подключена нагрузка у основания штыря. Поэтому, когда спираль стояла перед пластиной, модель принимала сильнее сзади, а с пластиной перед спиралью — спереди: на 585 МГц пластина — 0,32 × 0,33 длины волны, меньше своего резонансного размера. Модель принимает спереди сильнее на всех частотах расчёта до 680 МГц, а выше примерно 695 МГц — уже сзади. Значит, судя по расчёту, резонансный размер этой пластины — около 0,38 × 0,39 длины волны. У патча пластина позади него работает иначе: патч принимает открытым краем, у которого поле собирается в щели между ним и пластиной, а эта щель смотрит вперёд, поэтому патч и с маленькой пластиной смотрит вперёд.

Что получилось. На 585 МГц обе модели, как и Shure, принимают в основном спереди, и обе от паспорта отличаются. Если сравнивать диаграммы целиком, точка за точкой, ближе к паспорту спираль: среднеквадратичное отличие от паспортной диаграммы на видах сбоку и сверху у спирали — 2,6 и 1,7 дБ, у патча — 3,0 и 2,2 дБ. По отдельным показателям: ослабление назад по оси — 6,5 дБ у патча и 6,4 дБ у спирали против примерно 7,3 дБ у Shure; середина луча в вертикальной плоскости — на 15° ниже оси у патча и на 13° ниже оси у спирали против примерно 8° вниз у Shure; ширина луча в вертикальной и горизонтальной плоскости: у патча — 128° и 148°, у спирали — 76° и 119° против примерно 99° и 108° на диаграмме Shure (в паспорте — 100°). Значит, у патча ширина луча больше паспортной в обеих плоскостях, а у спирали — меньше паспортной в вертикальной плоскости и больше в горизонтальной. Кроме того, у спирали в горизонтальной плоскости луч смещён влево, если стоять у стены лицом в комнату: половинная мощность — от 42° вправо до 77° влево от оси, а у Shure вид сверху почти симметричен — около ±54°. Усиление прямо сравнить нельзя: 2,5 дБи у Shure — вместе с усилителем на «0 дБ», а 3,3 дБи у патча и 3,6 дБи у спирали — это сами антенны модели без усилителя; потери на рассогласование с 50 Ом у патча на этой частоте — всего 0,03 дБ, а у спирали — 8,7 дБ: до нагрузки доходит лишь 13 % мощности. Поляризация у спирали линейная — это сходится с инструкцией, по которой UA864 поворачивают под передатчики, — но направление поляризации поворачивается с частотой: от 16° влево от вертикали на 470 МГц до 22° вправо на 700 МГц, если смотреть на антенну спереди, а у Shure оно привязано к корпусу: переключатель внизу — вертикальная. Сопротивление самой спирали далеко от 50 Ом: 1,8 − j4,1 Ом на 585 МГц. Значит, если внутри UA864 и правда спираль, то устроена она, скорее всего, иначе, чем наша модель, — например, напечатана на плате из диэлектрика, питается иначе (скажем, через винтовой провод, как у Nakano и др., 2003) или металл вокруг неё другой — например, коробка, а не плоская пластина; по одним неофициальным сведениям этого не понять.

Полоса. У самого патча модели полоса узкая: КСВ меньше 2 — лишь примерно на 571–601 МГц, меньше 3 — примерно на 562–612 МГц, а на краях полосы 470–698 МГц до нагрузки 50 Ом доходит 6 % мощности на 470 МГц и 20 % на 700 МГц; усиление патча там — 2,3 и 3,8 дБи. Так и должно быть у простого патча: по обзору K. F. Lee полоса обычного патча — 2–3 %, одной толщиной её не расширить больше чем до 6 %, а 470–698 МГц — это 39 %. Размер корпуса такую полосу не запрещает — по крайней мере по пределу Чу, то есть по наименьшей добротности, какую физика допускает для антенны внутри шара, описанного вокруг корпуса (A. D. Yaghjian), — но для неё нужен широкополосный элемент: патчи с Г-образным штырём или U-образной прорезью на воздухе или пенопласте толщиной 0,08–0,10 длины волны дают полосу 30 % и больше (K. F. Lee). Весь корпус UA864 толщиной как раз 0,08 длины волны, но над заземлённой пластиной модели остаётся около 28 мм — 0,055 длины волны, — и там же должен поместиться усилитель. У спирали модели сопротивление ещё дальше от 50 Ом: лучший КСВ самой спирали модели на частотах 470–698 МГц — около 27; это около 586 МГц, где реактивная часть сопротивления спирали проходит через ноль, а активная — лишь около 2 Ом; до нагрузки 50 Ом на 585 МГц доходит 13 % мощности. Кроме того, UA864 активная: усилитель стоит прямо у антенны. В активных антеннах сам элемент нередко вообще не согласуют с 50 Ом — 50 Ом появляются только после усилителя, а рассогласование стоит части мощности сигнала; так устроена, например, широкополосная активная антенна Hicks и др. (2012). Поэтому, возможно, и в UA864 самому элементу не нужно быть согласованным во всей полосе; усиление Shure даёт только для средней частоты. В пробном расчёте на раннем варианте модели патча борта по краям заземлённой пластины, как у лотка, сужали луч, но почти убирали его наклон; в окончательную модель они не вошли.

Источники: Shure, UA864 · Shure, UA864 — инструкция · Shure, UA864 — чертёж (DXF) и модель Revit (RFA) · K. F. Lee, A Personal Overview of the Development of Patch Antennas, Part 1, City University of Hong Kong, 2015 · Part 2 · D. R. Jackson, Introduction to Microstrip Antennas, University of Houston · MathWorks, patchMicrostrip · MathWorks, Designing a PIFA for WLAN · MathWorks, spiralArchimedean · MathWorks, strip2cylinder · H. Nakano, Y. Shinma, J. Yamauchi, A Monofilar Spiral Antenna and Its Array Above a Ground Plane — Formation of a Circularly Polarized Tilted Fan Beam, IEEE Trans. AP 45 (10), 1997 · H. Nakano, Y. Okabe, H. Mimaki, J. Yamauchi, A Monofilar Spiral Antenna Excited Through a Helical Wire, IEEE Trans. AP 51 (3), 2003 · H. Nakano, K. Nogami, S. Arai, H. Mimaki, J. Yamauchi, A Spiral Antenna Backed by a Conducting Plane Reflector, IEEE Trans. AP 34 (6), 1986 · R. Chair, Miniature wideband patch antennas, PhD thesis, City University of Hong Kong, 2002 · R. Chair, K. F. Lee, K. M. Luk, Bandwidth and cross-polarization characteristics of quarter-wave shorted patch antennas, Microwave and Optical Technology Letters 22 (2), 1999 · C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 4th ed., Wiley, 2016 · A. D. Yaghjian, Fundamentals of Antenna Bandwidth and Quality Factors, arXiv:2501.03146 · B. C. Hicks et al., A wide-band, active antenna system for long wavelength radio astronomy, arXiv:1210.0506, 2012 · J. H. Richmond, Radiation and scattering by thin-wire structures in the complex frequency domain, NASA CR-2396, 1974 · A. Rubinstein, F. Rachidi, M. Rubinstein, On wire-grid representation of solid metallic surfaces, IEEE Trans. EMC 47 (1), 2005 · G. J. Burke, A. J. Poggio, Numerical Electromagnetics Code (NEC) — Method of Moments, Lawrence Livermore National Laboratory, UCID-18834, 1981 · T. C. A. Molteno, NEC2++: An NEC-2 compatible Numerical Electromagnetics Code, University of Otago, Electronics Technical Report 2014-3 · A. C. Ludwig, The definition of cross polarization, IEEE Trans. AP 21, 1973 · IEEE Std 145-2025, Standard for Definitions of Terms for Antennas.

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