|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Сталеві провідники в антенах. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Антени. Теорія При виборі матеріалу для виготовлення антен зазвичай віддають перевагу міді або алюмінію, так як ці метали мають кращу провідність порівняно, наприклад, зі сталлю. Але сталь дешевша, і іноді зробити антену з неї простіше. У статті зроблено оцінку програшу при заміні мідних проводів проводами із сталі та інших матеріалів, наведено приклади погіршення ККД антен за такої заміни. Розглянуто причини високочастотних втрат у проводах із сталі, описано методику вимірювання погонного активного опору проводів з матеріалу з невідомими властивостями в діапазоні 3,5...28 МГц, а також надано рекомендації щодо комп'ютерного моделювання дротяних та вібраторних антен зі сталі. Традиційні матеріали для антен - мідь (дроти) та сплави алюмінію (трубки). Їхня гідність у хорошій провідності. До недоліків відносяться мала механічна міцність і, останніми роками, висока вартість. Досвід використання сталевих конструкцій як вторинних елементів антенних систем свідчить про можливість застосування дешевих та міцних сталей як одного з основних матеріалів виготовлення антен. Радіоаматори застосовують атмосферостійкі біметалічні сталемедні дроти (БСМ), а також гнучкий провод поліетиленової ізоляцією (ГСП) [1], що має поряд з мідними сталеві жилки. У зв'язку з цим цікавить оцінка втрат при заміні сталлю традиційних міді або алюмінію. В якості міри оцінки було прийнято відношення активної складової R погонного опору дроту проводу круглого перерізу з досліджуваного матеріалу на високій частоті до відповідної величини RM для мідного дроту такого ж діаметра при тій же частоті: R/RM. Як відомо, високочастотний електричний струм розподілений нерівномірно по перерізу дроту: він максимальний біля поверхні і швидко зменшується при віддаленні від неї вглиб матеріалу (поверхневий ефект). Для дротів діаметром більше 1мм при частотах вище 1 МГц ефективна товщина поверхневого шару, в якому зосереджений струм (глибина проникнення), визначається за формулою [2]:
де f – частота (Гц); δ - питома провідність матеріалу (Див/м); μr - відносна магнітна проникність матеріалу; μ0 = 4π·10-7 (Гн/м). Ефективний переріз дроту діаметром d(м) для струму радіочастоти становить s = 5πd(м2), а активний погонний опір
У табл. 1 наведено значення δ, р та μr деяких провідникових матеріалів.
У неферомагнітних провідників μr - 1 і формула (2) достатня для порівняння погонного опору проводів, наприклад, з алюмінію та міді. Шуканий захід обчислюється просто: R/RM = = √δM/δ. Так, наприклад, для алюмінію отримуємо: R/RM = √56,6/35,3 = 1,265. Для феромагнітних матеріалів (μr>>1) все набагато складніше. Справа в тому, що зі зростанням частоти μr швидко зменшується, прагнучи одиниці, а в матеріалі зростають втрати, зокрема пропорційно квадрату частоти збільшуються втрати на вихрові струми. Зменшення μr призводить до потовщення поверхневого шару, тобто зменшення опору, а зростання втрат еквівалентний збільшення опору. В результаті втрати переважують і погонне опір все ж таки збільшується з підвищенням частоти. Все можна було б врахувати (хоч і не просто), якби точно знати хімічний склад та структуру сплаву. А оскільки це рідко буває відомо, залишається звернутися до старого критерію істини – до практики. Погонний опір мідного дроту RM визначався розрахунком за формулою (2). Для визначення погонного опору R дроти з будь-якого матеріалу з невідомими характеристиками використовувався високочастотний вимірювач добротності (куметр) типу Е9-4. Попередня підготовка куметра полягала в калібруванні установки рівня на всіх шкалах за критерієм Q = fрез/Δf0,707. Для цього використовувався ноніусний конденсатор з поділками через 0,1 пФ. В результаті прилад визначав еквівалентну добротність Q всього вимірювального контуру, з урахуванням як втрат у випробуваній котушці індуктивності, так і інших втрат (в самому приладі, додатковому зовнішньому конденсаторі, в навколишньому середовищі і на випромінювання). Для ізоляції по високій частоті корпусу приладу від електромережі та інших провідних об'єктів встановлений запірний дросель, що містить 20 витків із трипровідного мережевого шнура на кільцевому магнітопроводі К90х70х10 із фериту марки 400НН у місці підключення шнура до приладу. Один із проводів шнура – це провід захисного заземлення (занулення) корпусу приладу. Куметр встановлювався на діелектричній підставці заввишки 0,5 м з відривом щонайменше 2 м від стін та інших, особливо провідних, великих предметів. Для зменшення помилок вимірів треба перед вимірами протягом 60 хв прогріти прилад, стежити за можливим дрейфом нуля і робити кілька (хоча б 5-7) вимірів С і Q при кожній частоті з наступним усередненням. При вимірюваннях на частотах вище 10 МГц може впливати на рука оператора, що повертає ручку конденсатора. Для точного відліку руку слід відводити, а голову тримати на відстані не ближче ніж 0,5 м від приладу. Допустимо, треба визначити погонний опір R дроту діаметром d при частоті f в межах 3...30 МГц. Беремо відрізок довжиною 1 м цього дроту та відрізок 1 м мідного дроту такого ж діаметра. Робимо з цих проводів однакові короткозамкнуті двопровідні лінії з відстанню між проводами 40 мм. Ці лінії підключаємо по черзі до приладу як котушки індуктивності, при цьому лінії потрібно встановити вертикально. Вимірюємо добротності для ліній з обох матеріалів та резонансні значення ємності С за шкалою куметра. При необхідності (для частот нижче 10 МГц) підключаємо додатковий конденсатор, краще слюдяний, але для обох матеріалів обов'язково один і той же. Його ємність має бути відома з похибкою трохи більше ±5 %. Далі потрібно зробити кілька обчислень. Спочатку розрахуємо величину загального еквівалентного послідовного опору втрат rекв у вимірювальному контурі (сюди входять як втрати у дроті, так і інші втрати). При однакових розмірах ліній, при однакових додаткових конденсаторах і одній частоті зазначені вище інші втрати можна прийняти однаковими обох матеріалів. А знайти їх можна за вимірами на мідній лінії, оскільки для неї відомий розрахунковий опір дроту RM. Опір інших втрат, отже, є різниця: r пп = r ппм = r екв м - RM. Тепер залишилося обчислити опір відрізка 1 м дроту з випробуваного матеріалу R = r екв - r пп і визначити відношення шукане R/Rм. Основна похибка куметра ±5%. Вплив можливої систематичної похибки частково компенсовано за рахунок того, що результат визначення значення R містить різницю результатів вимірювання значень rекв для різних матеріалів. З різних проводів діаметром від 1 до 4,5 мм та довжиною 1 м були виготовлені короткозамкнуті відрізки двопровідних ліній з відстанню між проводами 40 мм, всього – 25 зразків. Вимірювання проводилися за описаною вище методикою п'яти частотах: 3,5; 7; 14; 21; 28 МГц. Результати розрахунків Rm наведено малюнку.
Результати вимірювань погонного опору R та обчислення відносин R/RM для сталевих та деяких інших дротів зведені в табл. 2.
З табл. 2 видно, що для сталевих проводів у вказаному діапазоні частот погонний опір збільшувалося в 15,9 разів. Для зразків із чистою та гладкою поверхнею (24,9, 1, 6) залежність R/RM від частоти слабка. Забрудненість поверхні зразків 8, 2 і істотна шорсткість поверхні зразка 3 визначають значне зростання R/RM зі збільшенням частоти. Відпал сталевих проводів помітного впливу втрати не надавав, якщо видаляти окалину і очищати поверхню. Провід з титану та немагнітної нержавіючої сталі мають приблизно 2,5-кратну перевагу перед звичайними сталевими проводами. Біметалічний сталемедний провід 9 (БСМ) на всіх частотах програє суто мідному більш ніж у 3 рази, але в 5...6 разів краще чисто сталевого. Зауважимо, що за товщині мідного покриття близько 0,03 мм його основне призначення - захист сталевої основи від атмосферних впливів. У рядках 10, 11 наведено дані для багатожильних проводів перерізом 0,5 мм2 в ізоляції. Провід ГСП має 4 мідні та 3 сталеві жили діаметром 0,3 мм. За втратами на 28 МГц він виявився на рівні сталевого дроту діаметром 4,1 мм, а на низькочастотних діапазонах значно краще. Монтажний провід МГШВ має 16 мідних луджених жил діаметром 0,2 мм і більш ніж у 2 рази краще, ніж ДСП. Результати алюмінієвого дроту 8 з гладкою і чистою поверхнею мають хорошу збіжність з результатами розрахунку за формулою (2) і можуть бути підтвердженням правильності обраного підходу. Було зроблено комп'ютерне моделювання за допомогою програми MMANA [3]. Особливість моделювання в тому, що в результаті аналізу визначається активна складова комплексного вхідного опору антени, а не опору погонного проводу. А вхідний опір залежить від розмірів антени, її конфігурації та місця підключення джерела збудження. Ця залежність, однак, дозволяє за відносно великих хвильових розмірів антен отримати практично непомітний програш при заміні міді сталлю. Для аналізу було взято кілька рамкових і дипольних антен різних розмірів. Результати моделювання наведено у табл. 3.
Опір випромінювання R∑ одержано як активна складова RA вхідного імпедансу при аналізі без урахування втрат. Це значення Іт приймалося постійним під час переходу від міді до заліза, оскільки форма і розміри антени не змінювалися. Отримано значення RAM і RAж для антен відповідно з міді і заліза. ККД для міді та заліза розраховувався як відношення R∑ до відповідного значення RA. Відношення Rж/Rm обчислювалося за такою формулою: Rж/Rm = (Raж - R∑)/(RAм - R∑) Для всіх розглянутих антен виявилося, що відношення Rж/RM в середньому близько 27,8 незалежно від частоти. Так могло вийти за умови, що для розрахунків із втратами в залозі використовувалася формула (2), наприклад, при табличному значенні питомого опору = 0,0918 Ом·мм2/м і постійному μr - 150. Такі ж результати, до речі, виходять у програмі ELNEC за вказаних параметрів. Судячи з наведених вище даних експерименту, ці результати моделювання можна використовувати як оцінку найгірших втрат у сталевому дроті діапазоні частот до 28 МГц. Для діапазону УКХ вони будуть, мабуть, ближчими до істини. З табл. 3 видно, що навіть за такої оцінки для розглянутих випадків практично всі коефіцієнти погіршення ККД значно менше, ніж коефіцієнти R/RM для сталі в табл. 2. Найменший програш антени зі сталі буде в тому випадку, якщо Rh антени більше (див., наприклад, диполь 2x5,13 м при частоті 28 МГц). Електрично малі антени з малим R∑ та початково малим ККД для міді найбільш чутливі до заміни міді сталлю. У деяких програмах моделювання дротяних антен (наприклад, Nec2d, ASAP) не передбачено введення магнітної проникності матеріалу. Очевидно, при моделюванні антен зі сталі з використанням формули (2) можна вважати μr = 1 і вводити еквівалентну провідність δекв (або опір рекв) з урахуванням реальних втрат. Для сталі в діапазоні 3,5...28 МГц можна вводити відповідно δекв = 0,19... 0.094 МСм/м (рекв = 5,3...10,6 Ом·мм2/м) для шорстких і забруднених поверхонь , або δекв = 0,22 ... 0,17 МСм / м (рекв = 4,5.-5,9 Ом · мм2 / м) для чистих і гладких. Програма MM AN А не дозволяє моделювати різні дроти з різних матеріалів, наприклад, з міді та сталі. Для оцінки ККД антени в цьому випадку можна вручну вводити в кожен сегмент мідного дроту, який насправді повинен бути сталевим, зосереджені втрати, які розраховуються виходячи з довжини сегмента, враховуючи, що поганий опір дроту із сталі при високій частоті 16.. .25 разів більше, ніж із міді. Наприклад, кожен з 10 однакових сегментів мідного проводу довжиною 20 м і діаметром 2 мм при частоті 3,5 МГц можна ввести активне навантаження величиною 16-0,08-20/10 = 2,56 Ом, де величина погонного опору мідного проводу 0,08 2 Ом/м визначається за формулою (XNUMX) і може бути знайдена з графіків на малюнку. Іноді для оцінки ККД у зазначеній ситуації можливе зменшення діаметра мідного в моделі дроту (також у 16...25 разів). Однак слід пам'ятати, що це призводить до значного збільшення погонного індуктивного опору, в результаті розподілу струму в структурі і все з цим пов'язане може сильно змінитися. Зміна ККД антени при заміні мідного дроту сталевим залежить від хвильових розмірів та вихідного ККД мідної антени. Якщо ККД напівхвильової антени з міді 0,98...0,99, то сталева антена таких самих розмірів може мати ККД 0,7...0,85, що так погано. Однак, якщо ККД електрично малої мідної антени порядку одиниць відсотків, заміна міді сталлю може призвести до його погіршення в 15...25 разів. Автор дякує Ф. Головіну (RZ3TC) за постановку завдання та підтримку в роботі, а також І. Каретникову за цінні зауваження. література
Автор: А.Гречіхін (UA3TZ), м.Нижній Новгород
Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами
05.05.2024 Приміальна клавіатура Seneca
05.05.2024 Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія
04.05.2024
▪ Чіпи пам'яті Elpida XDR DRAM ▪ Смартфон Gionee Elife S5.5 завтовшки 5,6 мм ▪ Дзеркальна камера Canon EOS 850D
▪ розділ сайту Аудіо та відеоспостереження. Добірка статей ▪ стаття Сонячна електростанція. Історія винаходу та виробництва ▪ стаття Яка знаменита російська картина була створена під враженням від кориди? Детальна відповідь ▪ стаття Бакаутове дерево. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Цифровий індикатор напруги. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Казахські прислів'я та приказки. Велика добірка
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page