|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese|
ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Conduttori in acciaio nelle antenne. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Antenne. Teoria Quando si sceglie un materiale per la fabbricazione di antenne, di solito si preferisce il rame o l'alluminio, poiché questi metalli hanno una migliore conduttività rispetto, ad esempio, all'acciaio. Ma l'acciaio è più economico e talvolta è più facile ricavarne un'antenna. L'articolo valuta la perdita durante la sostituzione di fili di rame con fili di acciaio e altri materiali e fornisce esempi del deterioramento dell'efficienza delle antenne con tale sostituzione. Vengono considerate le cause delle perdite ad alta frequenza nei fili di acciaio, viene descritto un metodo per misurare la resistenza unitaria dei fili da un materiale con proprietà sconosciute nell'intervallo 3,5 ... 28 MHz e vengono fornite raccomandazioni per la modellazione al computer di antenne di filo di acciaio e vibratore. I materiali tradizionali per le antenne sono il rame (fili) e le leghe di alluminio (tubi). Il loro vantaggio è una buona conduttività. Gli svantaggi includono una bassa resistenza meccanica e, negli ultimi anni, un costo elevato. L'esperienza nell'utilizzo di strutture in acciaio come elementi secondari dei sistemi di antenne indica la possibilità di utilizzare acciai economici e durevoli come uno dei materiali principali per la fabbricazione di antenne. I radioamatori usano fili bimetallici acciaio-rame (BSM) resistenti agli agenti atmosferici, così come fili flessibili isolati in polietilene (GSP) [1], che hanno vene di acciaio insieme a quelle di rame. A questo proposito, è interessante stimare le perdite quando l'acciaio sostituisce il tradizionale rame o alluminio. Come misura di valutazione è stato preso il rapporto tra il componente attivo R della resistenza lineare di un filo di sezione tonda del materiale in studio ad alta frequenza e il corrispondente valore RM per un filo di rame dello stesso diametro alla stessa frequenza: R/RM. Come è noto, la corrente elettrica ad alta frequenza è distribuita in modo non uniforme sulla sezione trasversale del filo: è massima in superficie e diminuisce rapidamente allontanandosi da essa in profondità nel materiale (effetto superficie). Per fili di diametro superiore a 1 mm a frequenze superiori a 1 MHz, lo spessore effettivo dello strato superficiale in cui è concentrata la corrente (profondità di penetrazione) è determinato dalla formula [2]:
dove f - frequenza (Hz); δ è la conducibilità specifica del materiale (S/m); μr - permeabilità magnetica relativa del materiale; μ0 = 4π 10-7 (H/m). La sezione effettiva del filo di diametro d (m) per la corrente a radiofrequenza è s = 5πd (m2), e la resistenza attiva lineare
In tavola. 1 mostra i valori di δ, p e μr di alcuni materiali conduttori.
Per i conduttori non ferromagnetici, μr - 1 e la formula (2) è sufficiente per confrontare la resistenza lineare dei fili, ad esempio, di alluminio e rame. La misura desiderata si calcola semplicemente: R/RM = = √δM/δ. Quindi, ad esempio, per l'alluminio otteniamo: R/RM = √56,6/35,3 = 1,265. Per i materiali ferromagnetici (μr >> 1) tutto è molto più complicato. Il fatto è che con l'aumentare della frequenza, μr diminuisce rapidamente, tendendo all'unità, e le perdite nel materiale aumentano, in particolare, le perdite di correnti parassite aumentano in proporzione al quadrato della frequenza. Una diminuzione di μr porta ad un ispessimento dello strato superficiale, cioè ad una diminuzione della resistenza, e un aumento delle perdite equivale ad un aumento della resistenza. Di conseguenza, le perdite superano e la resistenza per unità aumenta ancora con l'aumentare della frequenza. Tutto potrebbe essere preso in considerazione (anche se non semplicemente) se la composizione chimica e la struttura della lega fossero note esattamente. E poiché questo è raramente noto, resta da rivolgersi al vecchio criterio della verità: praticare. La resistenza lineare del filo di rame RM è stata determinata mediante calcolo secondo la formula (2). Per determinare la resistenza lineare R di un filo di qualsiasi materiale con caratteristiche sconosciute, è stato utilizzato un misuratore del fattore di qualità ad alta frequenza (kumeter) del tipo E9-4. La preparazione preliminare del kumeter consisteva nel calibrare l'impostazione del livello su tutte le scale secondo il criterio Q = fres / Δf0,707- Per questo è stato utilizzato un condensatore nonio con divisioni fino a 0,1 pF. Di conseguenza, il dispositivo ha determinato il fattore di qualità equivalente Q dell'intero circuito di misurazione, tenendo conto sia delle perdite nella bobina dell'induttore testata sia di altre perdite (nel dispositivo stesso, in un condensatore esterno aggiuntivo, nell'ambiente e per radiazione). Per l'isolamento ad alta frequenza dell'alloggiamento del dispositivo dalla rete e da altri oggetti conduttivi, è installata una bobina di arresto contenente 20 spire di un cavo di alimentazione a tre fili su un circuito magnetico ad anello K90x70x10 realizzato con ferrite di marca 400NN nel punto in cui il cavo è collegato al dispositivo. Uno dei fili del cavo è un filo di terra protettivo (azzeramento) della custodia dello strumento. Il Kumeter è stato installato su un supporto dielettrico alto 0,5 m a una distanza di almeno 2 m da pareti e altri oggetti di grandi dimensioni, in particolare conduttivi. Per ridurre gli errori di misurazione, è necessario riscaldare il dispositivo per 60 minuti prima delle misurazioni, monitorare l'eventuale deriva dello zero ed effettuare diverse (almeno 5-7) misurazioni di C e Q a ciascuna frequenza, seguite dalla media. Quando si misura a frequenze superiori a 10 MHz, il risultato può essere influenzato dalla mano dell'operatore che ruota la manopola del condensatore. Per una lettura accurata, la mano deve essere retratta e la testa deve essere mantenuta a una distanza non inferiore a 0,5 m dal dispositivo. Supponiamo che sia necessario determinare la resistenza lineare R di un filo con un diametro d a una frequenza f compresa tra 3 ... 30 MHz. Prendiamo una lunghezza di 1 m di questo filo e una lunghezza di 1 m di filo di rame dello stesso diametro. Realizziamo identiche linee a due fili cortocircuitate da questi fili con una distanza tra i fili di 40 mm. Colleghiamo queste linee alternativamente al dispositivo come induttori, mentre le linee devono essere installate verticalmente. Misuriamo i fattori di qualità per le linee di entrambi i materiali e i valori di risonanza della capacità C sulla scala Kumeter. Se necessario (per frequenze inferiori a 10 MHz), colleghiamo un condensatore aggiuntivo, preferibilmente mica, ma per entrambi i materiali è sempre lo stesso. La sua capacità deve essere nota con un errore non superiore a ± 5%. Successivamente, è necessario eseguire alcuni calcoli. Per prima cosa calcoliamo il valore della resistenza in serie equivalente totale delle perdite req nel circuito di misura (questo include sia le perdite nel filo che altre perdite) Questo viene fatto per entrambi i materiali secondo la ben nota espressione per il circuito oscillatorio: req = 1/(2πfCQ). Con le stesse dimensioni di linea, con gli stessi condensatori aggiuntivi e alla stessa frequenza, si può presumere che le altre perdite di cui sopra siano le stesse per entrambi i materiali. E puoi trovarli misurando su una linea di rame, poiché la resistenza del filo calcolata RM è nota per questo. La resistenza di altre perdite, quindi, è la differenza: r pp \uXNUMXd r ppm \uXNUMXd r equiv m - RM. Ora resta da calcolare la resistenza di un segmento di 1 m di filo dal materiale in prova R = r eq - r pp e determinare il rapporto desiderato R / Rm. L'errore principale del kumeter è ± 5%. L'influenza di un possibile errore sistematico è parzialmente compensata dal fatto che il risultato della determinazione del valore di R contiene la differenza nei risultati della misurazione dei valori di req per materiali diversi. Da fili diversi con un diametro da 1 a 4,5 mm e una lunghezza di 1 m, sono stati realizzati segmenti cortocircuitati di linee a due fili con una distanza tra i fili di 40 mm, in totale - 25 campioni. Le misurazioni sono state effettuate secondo il metodo sopra descritto a cinque frequenze: 3,5; 7; 14; 21; 28MHz. I risultati dei calcoli Rm sono mostrati in figura.
I risultati delle misurazioni della resistenza lineare R e del calcolo dei rapporti R / RM per l'acciaio e alcuni altri fili sono riassunti nella Tabella. 2.
Da tavola. 2 mostra che per i fili di acciaio nell'intervallo di frequenza indicato, la resistenza unitaria è aumentata di 15,9 ... 24,9 volte. Per i campioni con una superficie pulita e liscia (1, 6, 8), la dipendenza dalla frequenza di R/RM è debole. La contaminazione della superficie dei campioni 2, 3 e la significativa rugosità superficiale del campione 4 determinano un aumento più significativo di R/RM all'aumentare della frequenza. La ricottura dei fili di acciaio non ha avuto un effetto notevole sulle perdite se la scaglia è stata rimossa e la superficie è stata pulita. I fili in titanio e acciaio inossidabile non magnetico sono circa 2,5 volte migliori rispetto ai fili in acciaio convenzionali. Il filo bimetallico acciaio-rame 9 (BSM) a tutte le frequenze perde rispetto al filo di rame puro di oltre 3 volte, ma 5 ... 6 volte meglio del filo di acciaio puro. Si noti che con uno spessore del rivestimento in rame di circa 0,03 mm, il suo scopo principale è proteggere la base in acciaio dalle influenze atmosferiche. Le righe 10, 11 mostrano i dati per i fili a trefoli con una sezione di 0,5 mm2 di isolamento. Il filo GSP ha 4 fili di rame e 3 fili di acciaio con un diametro di 0,3 mm. In termini di perdite a 28 MHz, si è rivelato al livello di un filo d'acciaio con un diametro di 4,1 mm, e nelle bande a bassa frequenza è molto meglio. Filo di montaggio MGShV ha 16 fili di rame stagnato con un diametro di 0,2 mm ed è più di 2 volte migliore di GSP. I risultati per il filo di alluminio 8 con una superficie liscia e pulita sono in buon accordo con i risultati del calcolo mediante la formula (2) e possono confermare la correttezza dell'approccio scelto. La simulazione al computer è stata effettuata utilizzando il programma MMANA [3]. La particolarità della simulazione è che, come risultato dell'analisi, viene determinata la componente attiva dell'impedenza di ingresso complessa dell'antenna e non la resistenza lineare del filo. E l'impedenza di ingresso dipende dalle dimensioni dell'antenna, dalla sua configurazione e dal punto di connessione della sorgente di eccitazione. Questa dipendenza, tuttavia, rende possibile, a dimensioni d'onda relativamente grandi delle antenne, ottenere una perdita quasi impercettibile quando si sostituisce il rame con l'acciaio. Per l'analisi sono state prese diverse antenne ad anello ea dipolo di diverse dimensioni. I risultati della simulazione sono riportati in Tabella. 3.
La resistenza alle radiazioni R∑ è ottenuta come componente attivo RA dell'impedenza di ingresso in un'analisi senza perdite. Questo valore di Um è stato assunto invariato durante il passaggio dal rame al ferro, poiché la forma e le dimensioni dell'antenna non sono cambiate. Si ottengono anche i valori di RAM e RAzh rispettivamente per antenne in rame e ferro. L'efficienza per rame e ferro è stata calcolata come rapporto tra R∑ e il corrispondente valore di RA. Il rapporto Rzh/Rm è stato calcolato con la formula: Rzh/Rm = (Razh - R∑)/(RAm - R∑) Per tutte le antenne considerate, è risultato che il rapporto Rl/RM è mediamente prossimo a 27,8, indipendentemente dalla frequenza. Ciò potrebbe accadere a condizione che la formula (2) sia stata utilizzata per i calcoli con perdite nel ferro, ad esempio, con un valore di tabella di resistività = 0,0918 Ohm mm2/m e una costante μr - 150. A proposito, gli stessi risultati si ottengono nel programma ELNEC con i parametri specificati. A giudicare dai dati sperimentali di cui sopra, questi risultati di simulazione possono essere utilizzati come stima della perdita del filo d'acciaio nel caso peggiore nella gamma di frequenze fino a 28 MHz. Per la banda VHF, a quanto pare, saranno più vicini alla verità. Da tavola. Si può vedere dalla tabella 3 che anche con una tale valutazione per i casi considerati, quasi tutti i coefficienti di deterioramento dell'efficienza sono significativamente inferiori ai coefficienti R/RM per l'acciaio nella tabella. 2. Una minore perdita dell'antenna in acciaio sarà se l'antenna Rh è più grande (vedi, ad esempio, un dipolo 2x5,13 m a una frequenza di 28 MHz). Le antenne elettricamente piccole con R∑ piccolo e inizialmente bassa efficienza per il rame sono le più sensibili alla sostituzione del rame con l'acciaio. Alcuni programmi di simulazione di antenne filari (ad es. Nec2d, ASAP) non forniscono input sulla permeabilità del materiale. Apparentemente, quando modelliamo le antenne in acciaio usando la formula (2), possiamo assumere μr = 1 e introdurre la conducibilità equivalente δeq (o resistenza req) tenendo conto delle perdite reali. Per l'acciaio nell'intervallo 3,5 ... 28 MHz, è possibile inserire rispettivamente δeq = 0,19 ... 0.094 MSm / m (req = 5,3 ... 10,6 Ohm mm2 / m) per superfici ruvide e contaminate, oppure δeq = 0,22 ... 0,17 MSm / m (req = 4,5.-5,9 Ohm mm2 / m) per superfici pulite e lisce. Il programma MM AN A non consente di modellare fili diversi da materiali diversi, come rame e acciaio. Per valutare l'efficienza dell'antenna in questo caso è possibile inserire manualmente in ogni segmento del filo di rame, che in realtà dovrebbe essere di acciaio, delle perdite concentrate, che vengono calcolate in base alla lunghezza del segmento, dato che la resistenza per unità di lunghezza del filo di acciaio ad alta frequenza è 16….25 volte maggiore di quella del rame. Ad esempio, in ognuno dei 10 segmenti identici di un filo di rame lungo 20 m e 2 mm di diametro alla frequenza di 3,5 MHz, si può introdurre un carico attivo di 16-0,08-20/10 = 2,56 Ohm, dove il valore della resistenza lineare del filo di rame 0,08 Ohm/m è determinato dalla formula (2) e si ricava dai grafici in figura. A volte, per valutare l'efficienza in questa situazione, è possibile ridurre il diametro del filo di rame nel modello a filo (anche di 16...25 volte). Tuttavia, va ricordato che ciò porta ad un aumento significativo della resistenza induttiva lineare, di conseguenza, la distribuzione attuale nella struttura e tutto ciò che è connesso ad essa può cambiare drasticamente. La variazione dell'efficienza dell'antenna quando si sostituisce il filo di rame con l'acciaio dipende dalle dimensioni dell'onda e dall'efficienza iniziale dell'antenna di rame. Se l'efficienza di un'antenna a semionda in rame è 0,98 ... 0,99, un'antenna in acciaio della stessa dimensione può avere un'efficienza di 0,7 ... 0,85, il che non è poi così male. Tuttavia, se l'efficienza di un'antenna in rame elettricamente piccola è dell'ordine di pochi punti percentuali, la sostituzione del rame con l'acciaio può portare al suo deterioramento di 15...25 volte. L'autore ringrazia F. Golovin (RZ3TC) per aver posto il problema e il supporto nel lavoro, nonché I. Karetnikova per i preziosi commenti. Letteratura
Autore: A. Grechikhin (UA3TZ), Nizhny Novgorod
Pelle artificiale per l'emulazione del tocco
15.04.2024 Lettiera per gatti Petgugu Global
15.04.2024 L'attrattiva degli uomini premurosi
14.04.2024
▪ Sbrinamento superficiale in un secondo ▪ Interazione della radiazione con l'acqua ▪ Monitor da gioco OLED LG ltraGear 48GQ900 ▪ Test di sistemi di frenatura automatica in auto ▪ Cuffie Jabra Elite 4 Active TWS
▪ sezione del sito Assemblare il Cubo di Rubik. Selezione dell'articolo ▪ articolo Riassunto delle opere della letteratura russa del XIX secolo ▪ Articolo Analista finanziario. Descrizione del lavoro ▪ indicatore di fusibile bruciato. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Homepage | Biblioteca | Articoli | Mappa del sito | Recensioni del sito
www.diagram.com.ua |
Vedi altri articoli sezione 
Ultime notizie di scienza e tecnologia, nuova elettronica:
Tutte le lingue di questa pagina