|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ Przewody stalowe w antenach. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Anteny. Teoria Przy wyborze materiału do produkcji anten zwykle preferowana jest miedź lub aluminium, ponieważ metale te mają lepszą przewodność w porównaniu na przykład ze stalą. Ale stal jest tańsza i czasami łatwiej jest zrobić z niej antenę. W artykule dokonano oceny strat przy wymianie przewodów miedzianych na przewody wykonane ze stali i innych materiałów oraz podano przykłady pogorszenia sprawności anten przy takiej wymianie. Rozważono przyczyny strat wysokoczęstotliwościowych w drutach stalowych, opisano metodę pomiaru jednostkowej rezystancji drutów z materiału o nieznanych właściwościach w zakresie 3,5 ... 28 MHz oraz podano zalecenia dotyczące komputerowego modelowania drut stalowy i anteny wibracyjne. Tradycyjnymi materiałami na anteny są miedź (przewody) i stopy aluminium (rurki). Ich zaletą jest dobra przewodność. Wady obejmują niską wytrzymałość mechaniczną i, w ostatnich latach, wysoki koszt. Doświadczenia stosowania konstrukcji stalowych jako elementów wtórnych systemów antenowych wskazują na możliwość wykorzystania tanich i trwałych stali jako jednego z głównych materiałów do produkcji anten. Radioamatorzy używają odpornych na warunki atmosferyczne bimetalicznych drutów stalowo-miedzianych (BSM), a także elastycznych drutów w izolacji polietylenowej (GSP) [1], które oprócz żył miedzianych mają żyły stalowe. W związku z tym interesujące jest oszacowanie strat, gdy stal zastąpi tradycyjną miedź lub aluminium. Miarą oceny był stosunek aktywnego składnika R rezystancji liniowej drutu o okrągłym przekroju poprzecznym z badanego materiału przy wysokiej częstotliwości do odpowiedniej wartości RM dla drutu miedzianego o tej samej średnicy przy tej samej częstotliwości zrobione: R/RM. Jak wiadomo, prąd elektryczny o wysokiej częstotliwości rozkłada się nierównomiernie na przekroju drutu: jest maksymalny na powierzchni i szybko maleje, gdy oddala się od niej w głąb materiału (efekt powierzchniowy). Dla drutów o średnicy większej niż 1 mm przy częstotliwościach powyżej 1 MHz efektywną grubość warstwy powierzchniowej, w której koncentruje się prąd (głębokość wnikania) określa wzór [2]:
gdzie f - częstotliwość (Hz); δ to przewodność właściwa materiału (S/m); μr - względna przenikalność magnetyczna materiału; μ0 = 4π 10-7 (H/m). Efektywny przekrój drutu o średnicy d (m) dla prądu o częstotliwości radiowej wynosi s = 5πd (m2), a liniowy opór czynny
W tabeli. 1 pokazuje wartości δ, p i μr niektórych materiałów przewodzących.
W przypadku przewodników nieferromagnetycznych μr - 1 i wzór (2) są wystarczające do porównania rezystancji liniowej drutów, na przykład z aluminium i miedzi. Pożądaną miarę oblicza się w prosty sposób: R/RM = = √M/δ. I tak np. dla aluminium otrzymujemy: R/RM = √56,6/35,3 = 1,265. W przypadku materiałów ferromagnetycznych (μr >> 1) wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane. Faktem jest, że wraz ze wzrostem częstotliwości μr gwałtownie maleje, dążąc do jedności, a straty w materiale rosną, w szczególności straty prądów wirowych rosną proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości. Zmniejszenie μr prowadzi do pogrubienia warstwy powierzchniowej, czyli do zmniejszenia rezystancji, a wzrost strat jest równoznaczny ze wzrostem rezystancji. W rezultacie straty przeważają, a rezystancja na jednostkę nadal rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości. Wszystko można było wziąć pod uwagę (choć nie po prostu), gdyby dokładnie znano skład chemiczny i strukturę stopu. A ponieważ jest to rzadko znane, pozostaje zwrócić się do starego kryterium prawdy - do praktyki. Rezystancję liniową drutu miedzianego RM wyznaczono za pomocą obliczeń według wzoru (2). Do wyznaczenia rezystancji liniowej R drutu wykonanego z dowolnego materiału o nieznanych właściwościach zastosowano miernik współczynnika jakości wysokiej częstotliwości (kumetr) typu E9-4. Wstępne przygotowanie kumetru polegało na skalibrowaniu nastawy poziomu na wszystkich skalach według kryterium Q = fres / Δf0,707- W tym celu zastosowano kondensator noniuszowy z podziałką do 0,1 pF. W rezultacie urządzenie wyznaczyło równoważny współczynnik jakości Q całego obwodu pomiarowego, uwzględniając zarówno straty w badanej cewce indukcyjnej, jak i inne straty (w samym urządzeniu, w dodatkowym kondensatorze zewnętrznym, w środowisku oraz na promieniowanie). . W celu izolacji wysokiej częstotliwości obudowy urządzenia od sieci i innych obiektów przewodzących, instaluje się dławik odcinający, zawierający 20 zwojów trzyżyłowego przewodu zasilającego na pierścieniowym obwodzie magnetycznym K90x70x10 wykonanym z ferrytu marki 400NN w miejscu, w którym przewód jest podłączony do urządzenia. Jedna z żył przewodu jest przewodem uziemiającym (zerującym) obudowy przyrządu. Kumeter został zainstalowany na stojaku dielektrycznym o wysokości 0,5 m w odległości co najmniej 2 m od ścian i innych, zwłaszcza przewodzących, dużych obiektów. Aby zredukować błędy pomiarowe, należy przed pomiarami rozgrzać urządzenie przez 60 minut, monitorować ewentualny dryft zera i wykonać kilka (co najmniej 5-7) pomiarów C i Q przy każdej częstotliwości, a następnie uśrednić. Podczas pomiaru przy częstotliwościach powyżej 10 MHz na wynik może mieć wpływ ręka operatora obracająca pokrętło kondensatora. W celu dokładnego odczytu ręka powinna być cofnięta, a głowa trzymana w odległości nie mniejszej niż 0,5 m od urządzenia. Załóżmy, że konieczne jest określenie rezystancji liniowej R drutu o średnicy d przy częstotliwości f w zakresie 3 ... 30 MHz. Bierzemy długość 1 m tego drutu i długość 1 m drutu miedzianego o tej samej średnicy. Z tych drutów wykonujemy identyczne zwarte linie dwuprzewodowe z odległością między przewodami 40 mm. Linie te podłączamy naprzemiennie do urządzenia jako cewki indukcyjne, natomiast linie należy układać pionowo. Mierzymy współczynniki jakości dla przewodów z obu materiałów oraz wartości rezonansowe pojemności C w skali Kumetera. W razie potrzeby (dla częstotliwości poniżej 10 MHz) podłączamy dodatkowy kondensator, najlepiej mikowy, ale dla obu materiałów jest to zawsze to samo. Jego pojemność musi być znana z błędem nie większym niż ± 5%. Następnie musisz wykonać kilka obliczeń. Najpierw obliczamy wartość całkowitej równoważnej rezystancji szeregowej strat req w obwodzie pomiarowym (obejmuje to zarówno straty w przewodzie, jak i inne straty) dla obu materiałów zgodnie ze znanym wyrażeniem dla obwodu oscylacyjnego : wymaganie = 1/(2πfCQ). Przy tych samych rozmiarach linii, z tymi samymi dodatkowymi kondensatorami i przy tej samej częstotliwości można założyć, że powyższe inne straty są takie same dla obu materiałów. I można je znaleźć za pomocą pomiarów na linii miedzianej, ponieważ znana jest obliczona rezystancja drutu RM. Odporność na inne straty jest zatem różnicą: r pp \uXNUMXd r ppm \uXNUMXd r równoważny m - RM. Teraz pozostaje obliczyć rezystancję odcinka 1 m drutu z badanego materiału R = r eq - r pp i określić pożądany stosunek R / Rm. Główny błąd kumeter wynosi ± 5%. Wpływ ewentualnego błędu systematycznego jest częściowo kompensowany przez fakt, że wynik wyznaczenia wartości R zawiera różnicę w wynikach pomiarów wartości req dla różnych materiałów. Z różnych drutów o średnicy od 1 do 4,5 mm i długości 1 m wykonano zwarte odcinki linii dwuprzewodowych w odległości między drutami 40 mm, łącznie 25 próbek. Pomiary wykonano zgodnie z metodą opisaną powyżej przy pięciu częstotliwościach: 3,5; 7; 14; 21; 28MHz. Wyniki obliczeń Rm przedstawiono na rysunku.
Wyniki pomiarów rezystancji liniowej R i obliczenia stosunków R / RM dla stali i niektórych innych drutów podsumowano w tabeli. 2.
Ze stołu. 2 pokazuje, że dla drutów stalowych we wskazanym zakresie częstotliwości rezystancja na jednostkę wzrosła o 15,9 ... 24,9 razy. Dla próbek o czystej i gładkiej powierzchni (1, 6, 8) zależność R/RM od częstotliwości jest słaba. Zanieczyszczenie powierzchni próbek 2, 3 oraz znaczna chropowatość powierzchni próbki 4 decydują o bardziej znaczącym wzroście R/RM wraz ze wzrostem częstotliwości. Wyżarzanie drutów stalowych nie miało zauważalnego wpływu na straty po usunięciu zgorzeliny i oczyszczeniu powierzchni. Druty z tytanu i niemagnetycznej stali nierdzewnej są około 2,5 razy lepsze niż konwencjonalne druty stalowe. Bimetaliczny drut stalowo-miedziany 9 (BSM) przy wszystkich częstotliwościach przegrywa z czystym drutem miedzianym ponad 3 razy, ale 5 ... 6 razy lepiej niż czysty drut stalowy. Należy pamiętać, że przy grubości powłoki miedzianej około 0,03 mm jej głównym celem jest ochrona stalowej podstawy przed wpływami atmosferycznymi. Linie 10, 11 pokazują dane dla drutów linkowych o przekroju 0,5 mm2 w izolacji. Drut GSP ma 4 miedziane i 3 stalowe druty o średnicy 0,3 mm. Pod względem strat przy 28 MHz okazało się, że są one na poziomie drutu stalowego o średnicy 4,1 mm, aw pasmach niskich częstotliwości jest znacznie lepiej. Przewód montażowy MGShV posiada 16 cynowanych drutów miedzianych o średnicy 0,2 mm i jest ponad 2 razy lepszy od GSP. Wyniki uzyskane dla drutu aluminiowego 8 o gładkiej i czystej powierzchni dobrze zgadzają się z wynikami obliczeń według wzoru (2) i mogą potwierdzić poprawność przyjętego podejścia. Symulację komputerową przeprowadzono za pomocą programu MMANA [3]. Osobliwością symulacji jest to, że w wyniku analizy określa się aktywny składnik złożonej impedancji wejściowej anteny, a nie rezystancję liniową drutu. A impedancja wejściowa zależy od wielkości anteny, jej konfiguracji i miejsca podłączenia źródła wzbudzenia. Ta zależność sprawia jednak, że przy stosunkowo dużych rozmiarach fal anten, można uzyskać prawie niezauważalną stratę przy zamianie miedzi na stal. Do analizy wzięto kilka anten pętlowych i dipolowych o różnych rozmiarach. Wyniki symulacji podano w tabeli. 3.
Rezystancję promieniowania R∑ otrzymuje się jako składową czynną RA impedancji wejściowej w analizie bezstratnej. Ta wartość Um została przyjęta niezmieniona podczas przejścia z miedzi na żelazo, ponieważ kształt i wymiary anteny nie uległy zmianie. Uzyskano również wartości RAM i RAzh odpowiednio dla anten wykonanych z miedzi i żelaza. Sprawność dla miedzi i żelaza obliczono jako stosunek R∑ do odpowiedniej wartości RA. Stosunek Rzh/Rm obliczono ze wzoru: Rzh/Rm = (Razh - R∑)/(RAm - R∑) Dla wszystkich rozpatrywanych anten okazało się, że stosunek Rl/RM jest średnio bliski 27,8 niezależnie od częstotliwości. Mogłoby tak się stać pod warunkiem, że wzór (2) zostałby zastosowany do obliczeń ze stratami żelaza, np. z tabelaryczną wartością rezystywności = 0,0918 Ohm mm2/m i stałą μr - 150. Nawiasem mówiąc, te same wyniki uzyskuje się w zaprogramować ELNEC na określone parametry. Sądząc z powyższych danych eksperymentalnych, te wyniki symulacji można wykorzystać jako oszacowanie najgorszego przypadku utraty drutu stalowego w zakresie częstotliwości do 28 MHz. Dla pasma VHF będą one najwyraźniej bliższe prawdy. Ze stołu. Z Tabeli 3 widać, że nawet przy takiej ocenie dla rozpatrywanych przypadków prawie wszystkie współczynniki pogorszenia sprawności są znacznie mniejsze niż współczynniki R/RM dla stali w Tabeli. 2. Mniejsza strata anteny stalowej będzie, jeśli antena Rh jest większa (patrz na przykład dipol 2x5,13 m przy częstotliwości 28 MHz). Elektrycznie małe anteny o małym R∑ i początkowo niskiej sprawności dla miedzi są najbardziej wrażliwe na zastąpienie miedzi stalą. Niektóre programy do symulacji anten przewodowych (np. Nec2d, ASAP) nie zapewniają danych wejściowych dotyczących przepuszczalności materiału. Najwyraźniej modelując anteny stalowe za pomocą wzoru (2) możemy przyjąć μr = 1 i wprowadzić równoważną przewodność δeq (lub rezystancję req) uwzględniającą rzeczywiste straty. Dla stali w zakresie 3,5...28 MHz można wpisać odpowiednio δeq=0,19...0.094 MSm/m (req=5,3...10,6 Ohm mm2/m) dla powierzchni szorstkich i zanieczyszczonych, lub δeq = 0,22 ... 0,17 MSm / m (req = 4,5.-5,9 Ohm mm2 / m) dla czystości i gładkości. Program MM AN A nie pozwala na modelowanie różnych przewodów z różnych materiałów, takich jak miedź i stal. Aby ocenić skuteczność anteny w tym przypadku, można ręcznie wprowadzić do każdego odcinka drutu miedzianego, który w rzeczywistości powinien być stalowy, skoncentrowane straty, które są obliczane na podstawie długości odcinka, biorąc pod uwagę, że liniowy rezystancja drutu stalowego przy wysokiej częstotliwości jest 16 ... .25 razy większa niż miedź. Na przykład w każdym z 10 identycznych odcinków drutu miedzianego o długości 20 m i średnicy 2 mm przy częstotliwości 3,5 MHz można wprowadzić obciążenie czynne 16-0,08-20/10 = 2,56 Ohm, gdzie wartość rezystancja liniowa drutu miedzianego wynosi 0,08 Ohm/m, jest określona wzorem (2) i można ją znaleźć na podstawie wykresów na rysunku. Czasami, aby ocenić skuteczność w takiej sytuacji, można zmniejszyć średnicę drutu miedzianego w modelu drutowym (również 16...25 razy). Należy jednak pamiętać, że prowadzi to do znacznego wzrostu liniowej rezystancji indukcyjnej, w wyniku czego rozkład prądu w konstrukcji i wszystko, co jest z tym związane, może diametralnie się zmienić. Zmiana sprawności anteny przy wymianie drutu miedzianego na stalowy zależy od wymiarów fali i początkowej sprawności anteny miedzianej. Jeśli skuteczność anteny półfalowej wykonanej z miedzi wynosi 0,98 ... 0,99, to antena stalowa tego samego rozmiaru może mieć wydajność 0,7 ... 0,85, co nie jest takie złe. Jeśli jednak sprawność elektrycznie małej anteny miedzianej jest rzędu kilku procent, zastąpienie miedzi stalą może doprowadzić do jej pogorszenia 15...25 razy. Autor dziękuje F. Golovinowi (RZ3TC) za postawienie problemu i wsparcie w pracy oraz I. Karetnikovej za cenne uwagi. literatura
Autor: A. Grechikhin (UA3TZ), Niżny Nowogród
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Układy pamięci Elpida XDR DRAM ▪ Smartfon Gionee Elife S5.5 grubość 5,6 mm
▪ sekcja witryny Nadzór audio i wideo. Wybór artykułu ▪ artykuł Elektrownia słoneczna. Historia wynalazku i produkcji ▪ artykuł Jaki słynny rosyjski obraz powstał pod wpływem walki byków? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Drzewo wycofania. Legendy, uprawa, metody aplikacji ▪ artykuł Cyfrowy wskaźnik napięcia. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki ▪ artykuł Kazachskie przysłowia i powiedzenia. Duży wybór
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony