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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Condutores de aço em antenas. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Antenas. Teoria Ao escolher um material para a fabricação de antenas, geralmente é preferido o cobre ou o alumínio, pois esses metais têm melhor condutividade em comparação, por exemplo, ao aço. Mas o aço é mais barato e às vezes é mais fácil fazer uma antena com ele. O artigo avalia a perda ao substituir fios de cobre por fios de aço e outros materiais e dá exemplos da deterioração da eficiência das antenas com essa substituição. As causas das perdas de alta frequência em fios de aço são consideradas, um método para medir a resistência por unidade de fios de um material com propriedades desconhecidas na faixa de 3,5 ... 28 MHz é descrito e são dadas recomendações para modelagem computacional de fio de aço e antenas vibratórias. Os materiais tradicionais para antenas são cobre (fios) e ligas de alumínio (tubos). Sua vantagem é a boa condutividade. As desvantagens incluem baixa resistência mecânica e, nos últimos anos, alto custo. A experiência de utilização de estruturas de aço como elementos secundários de sistemas de antenas indica a possibilidade de utilização de aços baratos e duráveis como um dos principais materiais para a fabricação de antenas. Os radioamadores usam fios de aço-cobre bimetálicos resistentes às intempéries (BSM), bem como fios flexíveis isolados com polietileno (GSP) [1], que possuem veios de aço junto com os de cobre. Nesse sentido, é interessante estimar as perdas quando o aço substitui o tradicional cobre ou alumínio. Como medida de avaliação, a razão do componente ativo R da resistência linear de um fio de seção transversal redonda do material em estudo em alta frequência para o valor correspondente RM para um fio de cobre do mesmo diâmetro na mesma frequência foi tomada: R/RM. Como se sabe, a corrente elétrica de alta frequência é distribuída de maneira desigual na seção transversal do fio: é máxima na superfície e diminui rapidamente ao se afastar dela profundamente no material (efeito de superfície). Para fios com diâmetro superior a 1 mm em frequências acima de 1 MHz, a espessura efetiva da camada superficial na qual a corrente está concentrada (profundidade de penetração) é determinada pela fórmula [2]:
onde f - frequência (Hz); δ é a condutividade específica do material (S/m); μr - permeabilidade magnética relativa do material; μ0 = 4π 10-7 (H/m). A seção transversal efetiva do fio com diâmetro d (m) para a corrente de radiofrequência é s = 5πd (m2) e a resistência ativa linear
Na tabela. 1 mostra os valores de δ, p e μr de alguns materiais condutores.
Para condutores não ferromagnéticos, μr - 1, e a fórmula (2) é suficiente para comparar a resistência linear de fios, por exemplo, de alumínio e cobre. A medida desejada é calculada simplesmente: R/RM = = √δM/δ. Assim, por exemplo, para o alumínio obtemos: R/RM = √56,6/35,3 = 1,265. Para materiais ferromagnéticos (μr >> 1) tudo é muito mais complicado. O fato é que com o aumento da frequência, μr diminui rapidamente, tendendo à unidade, e as perdas no material aumentam, em particular, as perdas por correntes parasitas aumentam proporcionalmente ao quadrado da frequência. Uma diminuição em μr leva a um espessamento da camada superficial, ou seja, a uma diminuição da resistência, e um aumento nas perdas equivale a um aumento na resistência. Como resultado, as perdas superam e a resistência por unidade ainda aumenta com o aumento da frequência. Tudo poderia ser levado em consideração (embora não simplesmente) se a composição química e a estrutura da liga fossem conhecidas com exatidão. E como isso raramente é conhecido, resta recorrer ao antigo critério de verdade - praticar. A resistência linear do fio de cobre RM foi determinada pelo cálculo de acordo com a fórmula (2). Para determinar a resistência linear R de um fio feito de qualquer material com características desconhecidas, foi utilizado um medidor de fator de qualidade de alta frequência (kumeter) do tipo E9-4. A preparação preliminar do kumeter consistiu em calibrar o ajuste de nível em todas as escalas de acordo com o critério Q = fres / Δf0,707- Para isso, foi utilizado um capacitor vernier com divisões até 0,1 pF. Como resultado, o dispositivo determinou o fator de qualidade equivalente Q de todo o circuito de medição, levando em consideração as perdas na bobina do indutor testada e outras perdas (no próprio dispositivo, em um capacitor externo adicional, no ambiente e na radiação) . Para isolamento de alta frequência do invólucro do dispositivo da rede elétrica e de outros objetos condutores, é instalado um indutor de desligamento contendo 20 voltas de um cabo de alimentação de três fios em um circuito magnético de anel K90x70x10 feito de ferrite da marca 400NN no local onde o cabo está conectado ao dispositivo. Um dos fios do cabo é um fio terra de proteção (zeragem) da caixa do instrumento. O Kumeter foi instalado em um suporte dielétrico de 0,5 m de altura a uma distância de pelo menos 2 m de paredes e outros objetos grandes, especialmente condutores. Para reduzir os erros de medição, é necessário aquecer o dispositivo por 60 minutos antes das medições, monitorar possíveis desvios de zero e fazer várias (pelo menos 5-7) medições de C e Q em cada frequência, seguidas da média. Ao medir em frequências acima de 10 MHz, o resultado pode ser afetado pela mão do operador girando o botão do capacitor. Para uma leitura precisa, a mão deve ser retraída e a cabeça deve ser mantida a uma distância não inferior a 0,5 m do dispositivo. Suponha que seja necessário determinar a resistência linear R de um fio com diâmetro d em uma frequência f dentro de 3 ... 30 MHz. Tomamos um comprimento de 1 m deste fio e um comprimento de 1 m de fio de cobre do mesmo diâmetro. Fazemos linhas idênticas de dois fios em curto-circuito a partir desses fios com uma distância entre os fios de 40 mm. Conectamos essas linhas alternadamente ao dispositivo como indutores, enquanto as linhas devem ser instaladas verticalmente. Medimos os fatores de qualidade das linhas de ambos os materiais e os valores ressonantes da capacitância C na escala de Kumeter. Se necessário (para frequências abaixo de 10 MHz), conectamos um capacitor adicional, de preferência mica, mas para ambos os materiais é sempre o mesmo. Sua capacidade deve ser conhecida com erro não superior a ± 5%. Em seguida, você precisa fazer alguns cálculos. Primeiro, calculamos o valor da resistência em série equivalente total das perdas necessárias no circuito de medição (isso inclui perdas no fio e outras perdas). Isso é feito para ambos os materiais de acordo com a expressão bem conhecida para o circuito oscilatório : req = 1/(2πfCQ). Com os mesmos tamanhos de linha, com os mesmos capacitores adicionais e na mesma frequência, as outras perdas acima podem ser consideradas as mesmas para ambos os materiais. E você pode encontrá-los por medições em uma linha de cobre, já que a resistência calculada do fio RM é conhecida por isso. A resistência de outras perdas, portanto, é a diferença: r pp \uXNUMXd r ppm \uXNUMXd r equiv m - RM. Agora resta calcular a resistência de um segmento de 1 m de fio do material em teste R = r eq - r pp e determinar a relação desejada R / Rm. O erro principal do kumeter é de ± 5%. A influência de um possível erro sistemático é parcialmente compensada pelo fato de que o resultado da determinação do valor de R contém a diferença nos resultados da medição dos valores de req para diferentes materiais. A partir de diferentes fios com diâmetro de 1 a 4,5 mm e comprimento de 1 m, foram feitos segmentos em curto-circuito de linhas de dois fios com distância entre os fios de 40 mm, no total - 25 amostras. As medições foram feitas de acordo com o método descrito acima em cinco frequências: 3,5; 7; 14; 21; 28 MHz. Os resultados dos cálculos de Rm são mostrados na figura.
Os resultados das medições da resistência linear R e o cálculo das relações R / RM para aço e alguns outros fios estão resumidos na Tabela. 2.
Da Tabela. 2 mostra que para fios de aço na faixa de frequência indicada, a resistência por unidade aumentou 15,9 ... 24,9 vezes. Para amostras com superfície limpa e lisa (1, 6, 8), a dependência de frequência de R/RM é fraca. A contaminação da superfície das amostras 2, 3 e a significativa rugosidade superficial da amostra 4 determinam um aumento mais significativo de R/RM com o aumento da frequência. O recozimento de fios de aço não teve um efeito perceptível nas perdas se a carepa fosse removida e a superfície fosse limpa. Os fios de titânio e aço inoxidável não magnético são aproximadamente 2,5 vezes melhores que os fios de aço convencionais. O fio de aço-cobre bimetálico 9 (BSM) em todas as frequências perde para o fio de cobre puro em mais de 3 vezes, mas 5 ... 6 vezes melhor que o fio de aço puro. Observe que com uma espessura de revestimento de cobre de cerca de 0,03 mm, seu principal objetivo é proteger a base de aço das influências atmosféricas. As linhas 10, 11 mostram dados para fios trançados com seção transversal de 0,5 mm2 de isolamento. O fio GSP possui 4 fios de cobre e 3 fios de aço com diâmetro de 0,3 mm. Em termos de perdas em 28 MHz, ficou no nível de um fio de aço com diâmetro de 4,1 mm, e nas faixas de baixa frequência é muito melhor. O fio de montagem MGShV possui 16 fios de cobre estanhado com um diâmetro de 0,2 mm e é mais de 2 vezes melhor que o GSP. Os resultados para o fio de alumínio 8 com superfície lisa e limpa estão de acordo com os resultados do cálculo pela fórmula (2) e podem confirmar a correção da abordagem escolhida. A simulação computacional foi realizada utilizando o programa MMANA [3]. A peculiaridade da simulação é que, como resultado da análise, é determinado o componente ativo da impedância de entrada complexa da antena, e não a resistência linear do fio. E a impedância de entrada depende do tamanho da antena, sua configuração e o ponto de conexão da fonte de excitação. Essa dependência, no entanto, possibilita, em tamanhos de onda relativamente grandes de antenas, obter uma perda quase imperceptível ao substituir o cobre pelo aço. Várias antenas loop e dipolo de diferentes tamanhos foram levadas para análise. Os resultados da simulação são apresentados na Tabela. 3.
A resistência à radiação R∑ é obtida como o componente ativo RA da impedância de entrada em uma análise sem perdas. Este valor de Um foi mantido inalterado durante a transição do cobre para o ferro, pois a forma e as dimensões da antena não mudaram. Também são obtidos os valores de RAM e RAzh para antenas de cobre e ferro, respectivamente. A eficiência para cobre e ferro foi calculada como a razão de R∑ para o valor correspondente de RA. A razão Rzh/Rm foi calculada pela fórmula: Rzh/Rm = (Razh - R∑)/(RAm - R∑) Para todas as antenas consideradas, verificou-se que a relação Rl/RM é em média próxima de 27,8, independentemente da frequência. Isso poderia acontecer desde que a fórmula (2) fosse usada para cálculos com perdas de ferro, por exemplo, com um valor de tabela de resistividade = 0,0918 Ohm mm2/m e uma constante μr - 150. A propósito, os mesmos resultados são obtidos no programa ELNEC nos parâmetros especificados. A julgar pelos dados experimentais acima, esses resultados de simulação podem ser usados como uma estimativa do pior caso de perda de fio de aço na faixa de frequência de até 28 MHz. Para a banda VHF, estarão, aparentemente, mais próximos da verdade. Da Tabela. Pode-se ver na Tabela 3 que mesmo com tal avaliação para os casos considerados, quase todos os coeficientes de deterioração da eficiência são significativamente menores do que os coeficientes R/RM para o aço na Tabela. 2. Uma perda menor da antena de aço será se a antena Rh for maior (veja, por exemplo, um dipolo 2x5,13 m na frequência de 28 MHz). Antenas eletricamente pequenas com pequeno R∑ e inicialmente de baixa eficiência para o cobre são as mais sensíveis à substituição do cobre pelo aço. Alguns programas de simulação de antena de fio (por exemplo, Nec2d, ASAP) não fornecem dados de permeabilidade do material. Aparentemente, ao modelar antenas de aço usando a fórmula (2), podemos assumir μr = 1 e introduzir a condutividade equivalente δeq (ou resistência req) levando em consideração as perdas reais. Para aço na faixa de 3,5 ... 28 MHz, pode-se inserir, respectivamente, δeq = 0,19 ... 0.094 MSm/m (req = 5,3 ... 10,6 Ohm mm2/m) para superfícies ásperas e contaminadas, ou δeq = 0,22 ... 0,17 MSm / m (req = 4,5.-5,9 Ohm mm2 / m) para limpeza e suavidade. O programa MM AN A não permite modelar fios diferentes de materiais diferentes, como cobre e aço. Para avaliar a eficiência da antena neste caso, é possível inserir manualmente em cada segmento do fio de cobre, que na verdade deveria ser de aço, perdas concentradas, que são calculadas com base no comprimento do segmento, dado que o linear resistência do fio de aço em alta frequência é 16 ... 25 vezes mais do que o cobre. Por exemplo, em cada um dos 10 segmentos idênticos de um fio de cobre de 20 m de comprimento e 2 mm de diâmetro a uma frequência de 3,5 MHz, você pode inserir uma carga ativa de 16-0,08-20/10 = 2,56 Ohm, onde o valor de a resistência linear do fio de cobre é de 0,08 Ohm/m é determinada pela fórmula (2) e pode ser encontrada nos gráficos da figura. Às vezes, para avaliar a eficiência nessa situação, é possível reduzir o diâmetro do fio de cobre no modelo de fio (também em 16...25 vezes). No entanto, deve-se lembrar que isso leva a um aumento significativo na resistência indutiva linear, como resultado, a distribuição de corrente na estrutura e tudo relacionado a ela pode mudar muito. A mudança na eficiência da antena ao substituir o fio de cobre por aço depende das dimensões da onda e da eficiência inicial da antena de cobre. Se a eficiência de uma antena de meia onda feita de cobre for de 0,98 ... 0,99, uma antena de aço do mesmo tamanho pode ter uma eficiência de 0,7 ... 0,85, o que não é tão ruim. No entanto, se a eficiência de uma antena de cobre eletricamente pequena for da ordem de alguns por cento, a substituição do cobre por aço pode levar à sua deterioração em 15...25 vezes. O autor agradece a F. Golovin (RZ3TC) por colocar o problema e apoio no trabalho, bem como a I. Karetnikova pelos valiosos comentários. Literatura
Autor: A. Grechikhin (UA3TZ), Nizhny Novgorod
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