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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Stahlleiter in Antennen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Antennen. Theorie Bei der Materialauswahl für die Herstellung von Antennen wird in der Regel Kupfer oder Aluminium bevorzugt, da diese Metalle im Vergleich zu beispielsweise Stahl eine bessere Leitfähigkeit aufweisen. Aber Stahl ist billiger und manchmal ist es einfacher, daraus eine Antenne zu machen. Der Artikel bewertet den Verlust beim Austausch von Kupferdrähten durch Drähte aus Stahl und anderen Materialien und nennt Beispiele für die Verschlechterung der Effizienz von Antennen bei einem solchen Austausch. Es werden die Ursachen von Hochfrequenzverlusten in Stahldrähten betrachtet, eine Methode zur Messung des Widerstands pro Einheit von Drähten aus einem Material mit unbekannten Eigenschaften im Bereich von 3,5 ... 28 MHz beschrieben und Empfehlungen für die Computermodellierung gegeben Stahldraht- und Vibrationsantennen. Traditionelle Materialien für Antennen sind Kupfer (Drähte) und Aluminiumlegierungen (Rohre). Ihr Vorteil ist eine gute Leitfähigkeit. Zu den Nachteilen zählen eine geringe mechanische Festigkeit und in den letzten Jahren hohe Kosten. Die Erfahrung mit der Verwendung von Stahlkonstruktionen als sekundäre Elemente von Antennensystemen weist auf die Möglichkeit hin, billige und langlebige Stähle als eines der Hauptmaterialien für die Herstellung von Antennen zu verwenden. Funkamateure verwenden wetterbeständige Bimetall-Stahl-Kupfer-Drähte (BSM) sowie flexible, mit Polyethylen isolierte Drähte (GSP) [1], die neben Kupferadern auch Stahladern aufweisen. In diesem Zusammenhang ist es von Interesse, die Verluste abzuschätzen, wenn Stahl herkömmliches Kupfer oder Aluminium ersetzt. Als Bewertungsmaß diente das Verhältnis des Wirkanteils R des linearen Widerstands eines Drahtes mit rundem Querschnitt aus dem untersuchten Material bei Hochfrequenz zum entsprechenden Wert RM für einen Kupferdraht gleichen Durchmessers bei gleicher Frequenz genommen: R/RM. Der hochfrequente elektrische Strom verteilt sich bekanntlich ungleichmäßig über den Querschnitt des Drahtes: Er ist an der Oberfläche maximal und nimmt bei der Bewegung von dort in die Tiefe des Materials rasch ab (Oberflächeneffekt). Bei Drähten mit einem Durchmesser von mehr als 1 mm bei Frequenzen über 1 MHz wird die effektive Dicke der Oberflächenschicht, in der der Strom konzentriert ist (Eindringtiefe), durch die Formel [2] bestimmt:
wo f - Frequenz (Hz); δ ist die spezifische Leitfähigkeit des Materials (S/m); μr – relative magnetische Permeabilität des Materials; μ0 = 4π 10-7 (H/m). Der effektive Querschnitt des Drahtes mit einem Durchmesser d (m) für den Hochfrequenzstrom beträgt s = 5πd (m2), und der aktive Widerstand ist linear
Im Tisch. 1 zeigt die Werte von δ, p und μr einiger Leitermaterialien.
Für nichtferromagnetische Leiter ist μr - 1 und Formel (2) reicht aus, um den linearen Widerstand von Drähten, beispielsweise aus Aluminium und Kupfer, zu vergleichen. Das gewünschte Maß wird einfach berechnet: R/RM = = √δM/δ. So erhalten wir beispielsweise für Aluminium: R/RM = √56,6/35,3 = 1,265. Bei ferromagnetischen Materialien (μr >> 1) ist alles viel komplizierter. Tatsache ist, dass μr mit zunehmender Frequenz schnell abnimmt und gegen Eins tendiert und die Verluste im Material zunehmen, insbesondere Wirbelstromverluste proportional zum Quadrat der Frequenz zunehmen. Eine Verringerung von μr führt zu einer Verdickung der Oberflächenschicht, also zu einer Verringerung des Widerstands, und eine Erhöhung der Verluste ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung des Widerstands. Dadurch überwiegen die Verluste und der Widerstand pro Einheit steigt mit zunehmender Frequenz immer noch an. Alles könnte (wenn auch nicht einfach) berücksichtigt werden, wenn die chemische Zusammensetzung und Struktur der Legierung genau bekannt wäre. Und da dies selten bekannt ist, bleibt es, sich dem alten Kriterium der Wahrheit zuzuwenden – der Praxis. Der lineare Widerstand des Kupferdrahtes RM wurde durch Berechnung nach der Formel (2) ermittelt. Um den linearen Widerstand R eines Drahtes aus einem beliebigen Material mit unbekannten Eigenschaften zu bestimmen, wurde ein Hochfrequenz-Qualitätsfaktormessgerät (Kumeter) vom Typ E9-4 verwendet. Die vorbereitende Vorbereitung des Kumeters bestand darin, die Pegeleinstellung auf allen Skalen nach dem Kriterium Q = fres / Δf0,707 zu kalibrieren. Hierzu wurde ein Noniuskondensator mit Teilungen durch 0,1 pF verwendet. Als Ergebnis ermittelte das Gerät den äquivalenten Gütefaktor Q des gesamten Messkreises unter Berücksichtigung sowohl der Verluste in der getesteten Induktorspule als auch anderer Verluste (im Gerät selbst, in einem zusätzlichen externen Kondensator, in der Umgebung und für Strahlung). . Zur hochfrequenten Isolierung des Gerätegehäuses vom Stromnetz und anderen leitenden Gegenständen ist an der Stelle, an der es angebracht ist, eine Abschaltdrossel installiert, die 20 Windungen eines dreiadrigen Netzkabels auf einem Ringmagnetkreis K90x70x10 aus Ferrit der Güteklasse 400NN enthält Das Kabel ist mit dem Gerät verbunden. Einer der Drähte des Kabels ist ein Schutzerdungsdraht (Nullung) des Instrumentengehäuses. Das Kumeter wurde auf einem dielektrischen Ständer mit einer Höhe von 0,5 m in einem Abstand von mindestens 2 m zu Wänden und anderen, besonders leitfähigen, großen Gegenständen installiert. Um Messfehler zu reduzieren, ist es notwendig, das Gerät vor den Messungen 60 Minuten lang aufzuwärmen, eine mögliche Nullpunktdrift zu überwachen und mehrere (mindestens 5-7) Messungen von C und Q bei jeder Frequenz durchzuführen, gefolgt von einer Mittelwertbildung. Bei Messungen bei Frequenzen über 10 MHz kann das Ergebnis dadurch beeinflusst werden, dass der Bediener mit der Hand den Knopf des Kondensators dreht. Für eine genaue Ablesung sollte die Hand zurückgezogen und der Kopf in einem Abstand von nicht weniger als 0,5 m zum Gerät gehalten werden. Angenommen, es ist notwendig, den linearen Widerstand R eines Drahtes mit einem Durchmesser d bei einer Frequenz f innerhalb von 3 ... 30 MHz zu bestimmen. Wir nehmen eine Länge von 1 m dieses Drahtes und eine Länge von 1 m Kupferdraht mit dem gleichen Durchmesser. Aus diesen Drähten stellen wir identische kurzgeschlossene Zweidrahtleitungen mit einem Abstand zwischen den Drähten von 40 mm her. Diese Leitungen schließen wir abwechselnd als Induktivitäten an das Gerät an, wobei die Leitungen vertikal verlegt werden müssen. Wir messen die Gütefaktoren für Leitungen aus beiden Materialien und die Resonanzwerte der Kapazität C auf der Kumeter-Skala. Bei Bedarf (für Frequenzen unter 10 MHz) schließen wir einen zusätzlichen Kondensator an, vorzugsweise Glimmer, bei beiden Materialien ist es jedoch immer das Gleiche. Seine Kapazität muss mit einem Fehler von nicht mehr als ± 5 % bekannt sein. Als nächstes müssen Sie einige Berechnungen durchführen. Zunächst berechnen wir den Wert des gesamten äquivalenten Serienwiderstands der im Messkreis erforderlichen Verluste (dazu zählen sowohl Verluste im Draht als auch andere Verluste). Dies erfolgt für beide Materialien nach dem bekannten Ausdruck für den Schwingkreis : req = 1/(2πfCQ). Bei gleichen Leitungsgrößen, gleichen Zusatzkondensatoren und gleicher Frequenz kann man davon ausgehen, dass die oben genannten sonstigen Verluste für beide Materialien gleich sind. Und Sie können sie durch Messungen an einer Kupferleitung finden, da der berechnete Drahtwiderstand RM dafür bekannt ist. Der Widerstand anderer Verluste ist daher die Differenz: r pp \uXNUMXd r ppm \uXNUMXd r äquiv m - RM. Jetzt muss noch der Widerstand eines 1 m langen Drahtsegments aus dem zu prüfenden Material R = r eq - r pp berechnet und das gewünschte Verhältnis R / Rm bestimmt werden. Der Hauptfehler des Kumeters beträgt ±5 %. Der Einfluss eines möglichen systematischen Fehlers wird teilweise dadurch kompensiert, dass das Ergebnis der Bestimmung des Wertes von R die Differenz in den Ergebnissen der Messung der Werte von req für verschiedene Materialien enthält. Aus verschiedenen Drähten mit einem Durchmesser von 1 bis 4,5 mm und einer Länge von 1 m wurden kurzgeschlossene Segmente von Zweidrahtleitungen mit einem Abstand zwischen den Drähten von 40 mm hergestellt, insgesamt 25 Proben. Die Messungen wurden gemäß der oben beschriebenen Methode bei fünf Frequenzen durchgeführt: 3,5; 7; 14; 21; 28 MHz. Die Ergebnisse der Rm-Berechnungen sind in der Abbildung dargestellt.
Die Ergebnisse der Messungen des linearen Widerstands R und der Berechnung der R/RM-Verhältnisse für Stahl und einige andere Drähte sind in der Tabelle zusammengefasst. 2.
Vom Tisch. 2 zeigt, dass für Stahldrähte im angegebenen Frequenzbereich der Widerstand pro Einheit um das 15,9- bis 24,9-fache anstieg. Bei Proben mit sauberer und glatter Oberfläche (1, 6, 8) ist die Frequenzabhängigkeit von R/RM schwach. Die Kontamination der Oberfläche der Proben 2, 3 und die erhebliche Oberflächenrauheit der Probe 4 führen zu einem stärkeren Anstieg von R/RM mit zunehmender Häufigkeit. Das Glühen von Stahldrähten hatte keinen spürbaren Einfluss auf die Verluste, wenn der Zunder entfernt und die Oberfläche gereinigt wurde. Titan- und nichtmagnetische Edelstahldrähte sind etwa 2,5-mal besser als herkömmliche Stahldrähte. Bimetallischer Stahl-Kupfer-Draht 9 (BSM) verliert bei allen Frequenzen um mehr als das Dreifache gegenüber reinem Kupferdraht, aber 3 ... 5 Mal besser als reiner Stahldraht. Beachten Sie, dass bei einer Kupferbeschichtungsdicke von etwa 6 mm der Hauptzweck darin besteht, die Stahlbasis vor atmosphärischen Einflüssen zu schützen. Die Zeilen 10, 11 zeigen Daten für Litzen mit einem Querschnitt von 0,5 mm2 in der Isolierung. Der GSP-Draht besteht aus 4 Kupfer- und 3 Stahldrähten mit einem Durchmesser von 0,3 mm. Bei den Verlusten bei 28 MHz lag es auf dem Niveau eines Stahldrahtes mit 4,1 mm Durchmesser, in niederfrequenten Bändern ist es deutlich besser. Der Montagedraht MGShV besteht aus 16 verzinnten Kupferdrähten mit einem Durchmesser von 0,2 mm und ist mehr als zweimal besser als GSP. Die Ergebnisse für Aluminiumdraht 8 mit glatter und sauberer Oberfläche stimmen gut mit den Ergebnissen der Berechnung nach Formel (2) überein und können die Richtigkeit des gewählten Ansatzes bestätigen. Die Computersimulation wurde mit dem Programm MMANA [3] durchgeführt. Die Besonderheit der Simulation besteht darin, dass als Ergebnis der Analyse die aktive Komponente der komplexen Eingangsimpedanz der Antenne bestimmt wird und nicht der lineare Widerstand des Drahtes. Und die Eingangsimpedanz hängt von der Größe der Antenne, ihrer Konfiguration und dem Ort ab, an dem die Anregungsquelle angeschlossen ist. Diese Abhängigkeit ermöglicht es jedoch, bei relativ großen Antennenwellengrößen einen nahezu unmerklichen Verlust zu erzielen, wenn man Kupfer durch Stahl ersetzt. Zur Analyse wurden mehrere Rahmen- und Dipolantennen unterschiedlicher Größe herangezogen. Die Simulationsergebnisse sind in der Tabelle aufgeführt. 3.
Der Strahlungswiderstand R∑ ergibt sich bei einer verlustfreien Analyse als aktiver Anteil RA der Eingangsimpedanz. Dieser Wert von Um wurde beim Übergang von Kupfer zu Eisen unverändert übernommen, da sich Form und Abmessungen der Antenne nicht änderten. Außerdem werden die Werte von RAM und RAzh für Antennen aus Kupfer bzw. Eisen erhalten. Der Wirkungsgrad für Kupfer und Eisen wurde als Verhältnis von R∑ zum entsprechenden Wert von RA berechnet. Das Verhältnis Rzh/Rm wurde nach folgender Formel berechnet: Rzh/Rm = (Razh - R∑)/(RAm - R∑) Für alle betrachteten Antennen zeigte sich, dass das Verhältnis Rl/RM unabhängig von der Frequenz im Durchschnitt nahe bei 27,8 liegt. Dies könnte passieren, vorausgesetzt, dass Formel (2) für Berechnungen mit Eisenverlusten verwendet wurde, beispielsweise mit einem Tabellenwert des spezifischen Widerstands = 0,0918 Ohm mm2/m und einer Konstante μr - 150. Die gleichen Ergebnisse werden übrigens auch in der erhalten Programm ELNEC mit den angegebenen Parametern. Basierend auf den oben genannten experimentellen Daten können diese Simulationsergebnisse als Schätzung des schlimmsten Stahldrahtverlusts im Frequenzbereich bis 28 MHz verwendet werden. Für das UKW-Band werden sie der Wahrheit offenbar näher kommen. Vom Tisch. Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, dass selbst bei einer solchen Bewertung für die betrachteten Fälle fast alle Effizienzverschlechterungskoeffizienten deutlich geringer sind als die R/RM-Koeffizienten für Stahl in der Tabelle. 2. Ein geringerer Verlust der Stahlantenne ist, wenn die Rh-Antenne größer ist (siehe zum Beispiel einen Dipol 2x5,13 m bei einer Frequenz von 28 MHz). Elektrisch kleine Antennen mit kleinem R∑ und anfänglich geringem Wirkungsgrad für Kupfer reagieren am empfindlichsten auf den Ersatz von Kupfer durch Stahl. Einige Simulationsprogramme für Drahtantennen (z. B. Nec2d, ASAP) bieten keine Eingabe der magnetischen Permeabilität des Materials. Offensichtlich können wir bei der Modellierung von Stahlantennen mithilfe der Formel (2) μr = 1 annehmen und die äquivalente Leitfähigkeit δeq (oder den Widerstand req) unter Berücksichtigung realer Verluste einführen. Für Stahl im Bereich von 3,5 ... 28 MHz können Sie für raue und verunreinigte Oberflächen jeweils δeq = 0,19 ... 0.094 MSm/m (req = 5,3 ... 10,6 Ohm mm2/m) bzw. δeq eingeben = 0,22 ... 0,17 MSm/m (req = 4,5.-5,9 Ohm mm2/m) für sauber und glatt. Mit dem Programm MM AN A ist es nicht möglich, verschiedene Drähte aus unterschiedlichen Materialien wie Kupfer und Stahl zu modellieren. Um die Effizienz der Antenne in diesem Fall zu beurteilen, ist es möglich, manuell in jedes Segment des Kupferdrahtes, der eigentlich aus Stahl bestehen sollte, konzentrierte Verluste einzugeben, die auf der Grundlage der Länge des Segments unter Berücksichtigung der linearen Werte berechnet werden Der Widerstand des Stahldrahtes bei Hochfrequenz ist 16 ... 25-mal höher als der von Kupfer. Beispielsweise können Sie in jedes der 10 identischen Segmente eines Kupferdrahtes mit einer Länge von 20 m und einem Durchmesser von 2 mm bei einer Frequenz von 3,5 MHz eine aktive Last von 16-0,08-20/10 = 2,56 Ohm eingeben, wobei der Wert von Der lineare Widerstand des Kupferdrahtes beträgt 0,08 Ohm/m, wird durch Formel (2) bestimmt und kann aus den Diagrammen in der Abbildung ermittelt werden. Um die Effizienz in dieser Situation zu bewerten, ist es manchmal möglich, den Durchmesser des Kupferdrahtes im Drahtmodell zu reduzieren (ebenfalls um das 16- bis 25-fache). Es muss jedoch beachtet werden, dass dies zu einer deutlichen Erhöhung des linearen induktiven Widerstands führt, wodurch sich die Stromverteilung in der Struktur und allem, was damit zusammenhängt, dramatisch ändern kann. Die Änderung des Wirkungsgrades der Antenne beim Ersetzen des Kupferdrahtes durch Stahl hängt von den Wellenabmessungen und dem anfänglichen Wirkungsgrad der Kupferantenne ab. Wenn der Wirkungsgrad einer Halbwellenantenne aus Kupfer 0,98 ... 0,99 beträgt, kann eine Stahlantenne gleicher Größe einen Wirkungsgrad von 0,7 ... 0,85 haben, was nicht so schlecht ist. Wenn jedoch der Wirkungsgrad einer elektrisch kleinen Kupferantenne in der Größenordnung von einigen Prozent liegt, kann der Ersatz von Kupfer durch Stahl zu einer 15- bis 25-fachen Verschlechterung führen. Der Autor dankt F. Golovin (RZ3TC) für die Problemstellung und Unterstützung bei der Arbeit sowie I. Karetnikova für wertvolle Kommentare. Literatur
Autor: A. Grechikhin (UA3TZ), Nischni Nowgorod
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