Стальные проводники в антеннах. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Антенны. Теория

Комментарии к статье

При выборе материала для изготовления антенн обычно отдают предпочтение меди или алюминию, так как эти металлы обладают лучшей проводимостью по сравнению, например, со сталью. Но сталь дешевле, и иногда сделать антенну из нее проще. В статье сделана оценка проигрыша при замене медных проводов проводами из стали и других материалов, приведены примеры ухудшения КПД антенн при такой замене. Рассмотрены причины высокочастотных потерь в проводах из стали, описана методика измерения погонного активного сопротивления проводов из материала с неизвестными свойствами в диапазоне 3,5...28 МГц, а также даны рекомендации по компьютерному моделированию проволочных и вибраторных антенн из стали.

Традиционные материалы для антенн - медь (провода) и сплавы алюминия (трубки). Их достоинство в хорошей проводимости. К недостаткам относятся малая механическая прочность и, в последние годы, высокая стоимость.

Опыт использования стальных конструкций в качестве вторичных элементов антенных систем свидетельствует о возможности применения дешевых и прочных сталей как одного из основных материалов для изготовления антенн. Радиолюбители применяют атмосферостойкие биметаллические сталемедные провода (БСМ), а также гибкий проводе полиэтиленовой изоляцией (ГСП) [1], имеющий наряду с медными стальные жилки. В связи с этим представляет интерес оценка потерь при замене сталью традиционных меди или алюминия.

В качестве меры оценки было принято отношение активной составляющей R погонного сопротивления провода круглого сечения из исследуемого материала на высокой частоте к соответствующей величине RM для медного провода такого же диаметра при той же частоте: R/RM.

Как известно, высокочастотный электрический ток распределен неравномерно по сечению провода: он максимален у поверхности и быстро убывает при удалении от нее вглубь материала (поверхностный эффект). Для проводов диаметром более 1мм при частотах выше 1 МГц эффективная толщина поверхностного слоя, в котором сосредоточен ток (глубина проникновения), определяется по формуле [2]:

где f - частота (Гц); δ - удельная проводимость материала (См/м); μr - относительная магнитная проницаемость материала; μ0 = 4π·10-7 (Гн/м). Эффективное сечение провода диаметром d (м) для тока радиочастоты составляет s = 5πd (м2), а погонное активное сопротивление

В табл. 1 приведены значения δ, р и μr некоторых проводниковых материалов.

У неферромагнитных проводников μr - 1, и формула (2) достаточна для сравнения погонного сопротивления проводов, например, из алюминия и меди. Искомая мера вычисляется просто: R/RM = = √δM/δ. Так, например, для алюминия получаем: R/RM = √56,6/35,3 = 1,265. Для ферромагнитных материалов (μr >> 1) все намного сложнее. Дело в том, что с ростом частоты μr быстро уменьшается, стремясь к единице, а в материале растут потери, в частности пропорционально квадрату частоты увеличиваются потери на вихревые токи. Уменьшение μr приводит к утолщению поверхностного слоя, т. е. к уменьшению сопротивления, а рост потерь эквивалентен увеличению сопротивления. В результате потери перевешивают и погонное сопротивление все же увеличивается с повышением частоты. Все можно было бы учесть (хотя и не просто), если бы точно знать химический состав и структуру сплава. А поскольку это редко бывает известно, остается обратиться к старому критерию истины - к практике.

Погонное сопротивление медного провода RM определялось расчетом по формуле (2). Для определения погонного сопротивления R провода из любого материала с неизвестными характеристиками использовался высокочастотный измеритель добротности (куметр) типа Е9-4.

Предварительная подготовка куметра заключалась в калибровке установки уровня на всех шкалах по критерию Q = fрез/Δf0,707- Для этого использовался нониусный конденсатор с делениями через 0,1 пФ. В результате прибор определял эквивалентную добротность Q всего измерительного контура, с учетом как потерь в испытуемой катушке индуктивности, так и прочих потерь (в самом приборе, в дополнительном внешнем конденсаторе, в окружающей среде и на излучение). Для изоляции по высокой частоте корпуса прибора от электросети и прочих проводящих объектов установлен запорный дроссель, содержащий 20 витков из трехпроводного сетевого шнура на кольцевом магнитопроводе К90х70х10 из феррита марки 400НН в месте подключения шнура к прибору. Один из проводов шнура - это провод защитного заземления (зануления) корпуса прибора. Куметр устанавливался на диэлектрической подставке высотой 0,5 м на расстоянии не менее 2 м от стен и других, в особенности проводящих, крупных предметов.

Для уменьшения ошибок измерений надо перед измерениями в течение 60 мин прогреть прибор, следить за возможным дрейфом нуля и делать несколько (хотя бы 5-7) измерений С и Q при каждой частоте с последующим усреднением. При измерениях на частотах выше 10 МГц на результат может влиять рука оператора, поворачивающая ручку конденсатора. Для точного отсчета руку следует отводить, а голову держать на расстоянии не ближе 0,5 м от прибора.

Допустим, надо определить погонное сопротивление R провода диаметром d при частоте f в пределах 3...30 МГц. Берем отрезок длиной 1 м этого провода и отрезок 1 м медного провода такого же диаметра. Делаем из этих проводов одинаковые короткозамкнутые двухпроводные линии с расстоянием между проводами 40 мм. Эти линии подключаем поочередно к прибору в качестве катушек индуктивности, при этом линии нужно установить вертикально. Измеряем добротности для линий из обоих материалов и резонансные значения емкости С по шкале куметра. При необходимости (для частот ниже 10 МГц) подключаем дополнительный конденсатор, лучше слюдяной, но для обоих материалов обязательно один и тот же. Его емкость должна быть известна с погрешностью не более ±5 %.

Далее нужно сделать несколько вычислений. Сначала рассчитаем величину общего эквивалентного последовательного сопротивления потерь rэкв в измерительном контуре (сюда входят как потери в проводе, так и прочие потери) Это делается для обоих материалов в соответствии с известным выражением для колебательного контура: rэкв = 1/(2πfCQ). При одинаковых размерах линий, при одинаковых дополнительных конденсаторах и на одной частоте указанные выше прочие потери можно принять одинаковыми для обоих материалов. А найти их можно по измерениям на медной линии, поскольку для нее известно расчетное сопротивление провода RM. Сопротивление прочих потерь, таким образом, есть разность: r пп = r ппм = r экв м - RM.

Теперь осталось вычислить сопротивление отрезка 1 м провода из испытуемого материала R = r экв - r пп и определить искомое отношение R/Rм.

Основная погрешность куметра ±5 %. Влияние возможной систематической погрешности частично скомпенсировано за счет того, что результат определения значения R содержит разность результатов измерения значений rэкв для разных материалов.

Из разных проводов диаметром от 1 до 4,5 мм и длиной 1 м были изготовлены короткозамкнутые отрезки двухпроводных линий с расстоянием между проводами 40 мм, всего - 25 образцов. Измерения производились по описанной выше методике на пяти частотах: 3,5; 7; 14; 21; 28 МГц. Результаты расчетов Rm приведены на рисунке.

Результаты измерений погонного сопротивления R и вычисления отношений R/RM для стальных и некоторых других проводов сведены в табл. 2.

(нажмите для увеличения)

Из табл. 2 видно, что для стальных проводов в указанном диапазоне частот погонное сопротивление увеличивалось в 15,9...24,9 раз. Для образцов с чистой и гладкой поверхностью (1, 6, 8) зависимость R/RM от частоты слабая. Загрязненность поверхности образцов 2, 3 и существенная шероховатость поверхности образца 4 определяют более значительный рост R/RM при увеличении частоты. Отжиг стальных проводов заметного влияния на потери не оказывал, если удалять окалину и очищать поверхность.

Провода из титана и немагнитной нержавеющей стали имеют примерно 2,5-кратное преимущество перед обычными стальными проводами. Биметаллический сталемедный провод 9 (БСМ) на всех частотах проигрывает чисто медному более чем в 3 раза, однако в 5...6 раз лучше чисто стального. Заметим, что при толщине медного покрытия около 0,03 мм его основное назначение - защита стальной основы от атмосферных воздействий.

В строках 10, 11 приведены данные для многожильных проводов сечением 0,5 мм2 в изоляции. Провод ГСП имеет4 медные и 3 стальные жилы диаметром 0,3 мм. По потерям на 28 МГц он оказался на уровне стального провода диаметром 4,1 мм, а на низкочастотных диапазонах значительно лучше. Монтажный провод МГШВ имеет 16 медных луженых жил диаметром 0,2 мм и более чем в 2 раза лучше, чем ГСП.

Результаты для алюминиевого провода 8 с гладкой и чистой поверхностью имеют хорошую сходимость с результатами расчета по формуле (2) и могут служить подтверждением правильности выбранного подхода.

Было произведено компьютерное моделирование с помощью программы MMANA [3]. Особенность моделирования в том, что в результате анализа определяется активная составляющая комплексного входного сопротивления антенны, а не погонного сопротивления провода. А входное сопротивление зависит от размеров антенны, ее конфигурации и места подключения источника возбуждения. Эта зависимость, однако, позволяет при относительно больших волновых размерах антенн получить практически незаметный проигрыш при замене меди сталью.

Для анализа были взяты несколько рамочных и дипольных антенн разных размеров. Результаты моделирования приведены в табл. 3.

(нажмите для увеличения)

Сопротивление излучения R∑ получено как активная составляющая RA входного импеданса при анализе без учета потерь. Это значение Ит принималось неизменным при переходе от меди к железу, так как форма и размеры антенны не изменялись. Получены также значения RAM и RAж для антенн соответственно из меди и железа. КПД для меди и железа рассчитывался как отношение R∑ к соответствующему значению RA. Отношение Rж/Rm вычислялось по формуле:

Rж/Rm = (Raж - R∑)/(RAм - R∑)

Для всех рассмотренных антенн оказалось, что отношение Rж/RM в среднем близко к 27,8 независимо от частоты.

Так могло получиться при условии, что для расчетов с потерями в железе использовалась формула (2), например, при табличном значении удельного сопротивления = 0,0918 Ом·мм2/м и постоянном μr - 150. Такие же результаты, кстати, получаются в программе ELNEC при указанных параметрах. Судя по приведенным выше данным эксперимента, эти результаты моделирования можно использовать как оценку наихудших потерь в стальном проводе в диапазоне частот до 28 МГц. Для диапазона УКВ они будут, по-видимому, ближе к истине.

Из табл. 3 видно, что даже при такой оценке для рассмотренных случаев практически все коэффициенты ухудшения КПД значительно меньше, чем коэффициенты R/RM для стали в табл. 2. Меньший проигрыш антенны из стали будет в том случае, если Rh антенны больше (см., например, диполь 2x5,13 м при частоте 28 МГц). Электрически малые антенны с малым R∑ и исходно малым КПД для меди наиболее чувствительны к замене меди сталью.

В некоторых программах моделирования проволочных антенн (например, Nec2d, ASAP) не предусмотрен ввод магнитной проницаемости материала. По-видимому, при моделировании антенн из стали с использованием формулы (2) можно полагать μr = 1 и вводить эквивалентную проводимость δэкв (или сопротивление рэкв) с учетом реальных потерь. Для стали в диапазоне 3,5...28 МГц можно вводить соответственно δэкв = 0,19... 0.094 МСм/м (рэкв = 5,3...10,6 Ом·мм2/м) для шероховатых и загрязненных поверхностей, или δэкв = 0,22...0,17 МСм/м (рэкв = 4,5.-5,9 Ом·мм2/м) для чистых и гладких.

Программа MM AN А не позволяет моделировать разные провода из разных материалов, например, из меди и стали. Для оценки КПД антенны в этом случае можно вручную вводить в каждый сегмент медного провода, который на деле должен быть стальным, сосредоточенные потери, которые рассчитываются исходя из длины сегмента, учитывая, что погонное сопротивление провода из стали при высокой частоте в 16.. .25 раз больше, чем из меди. Например, в каждый из 10 одинаковых сегментов медного провода длиной 20 м и диаметром 2 мм при частоте 3,5 МГц можно ввести активную нагрузку величиной 16-0,08-20/10 = 2,56 Ом, где величина погонного сопротивления медного провода 0,08 Ом/м определяется по фор муле (2) и может быть найдена из графиков на рисунке.

Иногда для оценки КПД в указанной ситуации возможно уменьшение диаметра медного в модели провода (также в 16...25 раз). Однако надо помнить, что это приводит к значительному увеличению погонного индуктивного сопротивления, в результате распределение тока в структуре и все с этим связанное может сильно измениться.

Изменение КПД антенны при замене медного провода стальным зависит от волновых размеров и исходного КПД медной антенны. Если КПД полуволновой антенны из меди 0,98...0,99, то стальная антенна таких же размеров может иметь КПД 0,7...0,85, что не так уж плохо. Однако, если КПД электрически малой медной антенны порядка единиц процентов, замена меди сталью может привести к его ухудшению в 15...25 раз.

Автор благодарит Ф. Головина (RZ3TC) за постановку задачи и поддержку в работе, а также И. Каретникову за ценные замечания.

Литература

1. Белоруссов Н. И., Саакян А. Е., Яковлеве А. И. Электрические кабели, провода и шнуры. Справочник. - М.: Энергия, 1979
2. Гальперович Д. Я., Павлов А. А., Хренков Н. Н. Радиочастотные кабели. - М.: Энергоатомиздат, 1990.
3. Гончаренко И. В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA. - М.: ИП РадиоСофт; журнал "Радио", 2002.

Автор: А.Гречихин (UA3TZ), г.Нижний Новгород

Смотрите другие статьи раздела Антенны. Теория.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Польза белкового завтрака 14.01.2026

Правильное питание по утрам играет ключевую роль в поддержании здоровья и контроле веса. Многочисленные исследования подтверждают, что состав завтрака может влиять на аппетит в течение всего дня и качество употребляемой пищи. Австралийские ученые провели масштабный эксперимент, который показал, что употребление белковой пищи с утра помогает дольше чувствовать сытость и предотвращает переедание. В исследовании участвовали более 9 тысяч человек среднего возраста 46 лет. В период с 2011 по 2012 год специалисты анализировали рационы респондентов, оценивая долю основных макронутриентов. В среднем участники потребляли 43% углеводов, 31% жиров, 18% белков, 2% клетчатки и 4% алкоголя. Такой рацион позволил ученым проследить взаимосвязь между утренним приемом пищи и пищевым поведением в течение дня. Выяснилось, что участники, чей завтрак содержал недостаточное количество белка, ощущали повышенный аппетит в течение дня. Они ели больше, чем необходимо, и часто выбирали продукты с высоким со ...>>

Технология SmartPower HDR 14.01.2026

Ноутбуки стремительно развиваются в плане графики и мультимедийных возможностей, но яркие дисплеи с высоким динамическим диапазоном (HDR) часто становятся серьезной нагрузкой для аккумуляторов. Длительная работа с видео высокого качества или играми в HDR приводит к быстрой разрядке батареи, что ограничивает мобильность пользователей и снижает комфорт работы. Решить эту проблему призвана новая технология SmartPower HDR, разработанная совместно компаниями Samsung Display и Intel. Суть технологии заключается в динамическом управлении напряжением OLED-панелей. Чипсет ноутбука в реальном времени анализирует пиковую яркость каждого кадра и передает эти данные контроллеру дисплея, который оптимизирует подачу напряжения в зависимости от количества активных пикселей. В отличие от традиционных режимов HDR, где яркость часто фиксируется на максимальном уровне, SmartPower HDR адаптируется к конкретному контенту, что снижает энергопотребление без потери качества изображения. Технология позвол ...>>

Недосып существенно сокращает жизнь 13.01.2026

Сон является одной из самых фундаментальных потребностей человека. Он влияет на обмен веществ, работу сердца и мозга, иммунитет и общее самочувствие. Современный ритм жизни часто заставляет людей жертвовать сном ради работы, учебы или развлечений, но ученые предупреждают: регулярный недосып может иметь далеко идущие последствия для здоровья и долголетия. Исследователи из Орегонского университета здравоохранения и науки пришли к выводу, что сон менее семи часов в сутки связан с сокращением продолжительности жизни. По данным специалистов, хроническая нехватка сна не только вызывает усталость и снижение работоспособности, но и постепенно сказывается на здоровье органов и систем, увеличивая риски развития различных заболеваний. Для анализа ученые использовали обширную национальную базу данных США, сопоставляя показатели ожидаемой продолжительности жизни на уровне штатов с результатами опросов Центров контроля и профилактики заболеваний за период с 2019 по 2025 годы. Они учитывали мно ...>>

Случайная новость из Архива Органическая энергия из глюкозы и витамина B2 19.11.2025 Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Аргонской национальной лаборатории представили инновационное решение - проточный органический аккумулятор, использующий глюкозу и рибофлавин (витамин B2) в качестве ключевых компонентов. Принцип работы новой батареи отличается от традиционных подходов тем, что вместо дорогих катализаторов из платины и золота применен рибофлавин. Этот биологически активный витамин выполняет функцию медиатора, обеспечивая циклический перенос электронов между электродами батареи и глюкозным электролитом. Таким образом, проточная ячейка воспроизводит процессы, схожие с ферментативным метаболизмом в живых клетках, где рибофлавин естественным образом участвует в переносе энергии. Эксперименты показали, что использование кислородного электрода в щелочной среде позволяет достигать пиковой удельной мощности 13 мВт на квадратный сантиметр. При этом измерения проводились при комнатной температуре и атмосферном давлении. Для сравнения, проточные биотопливные элементы на основе глюкозы предыдущих поколений показывали в двадцать раз меньшую мощность при аналогичных условиях. Экономическая привлекательность разработки обусловлена доступностью и невысокой стоимостью используемых материалов. Так, килограмм глюкозы оценивается примерно в 20 долларов, в то время как килограмм платины стоит около 52 тысяч долларов. Кроме того, стабильность рибофлавина при базовом уровне рН обеспечивает долговременную и надежную работу батареи. Технология открывает возможности использования возобновляемых растительных источников глюкозы для производства электроэнергии. Это делает аккумулятор экологически безопасным и независимым от добычи редких и дорогостоящих металлов, что особенно важно для устойчивого развития энергетики будущего. Одним из ключевых преимуществ нового подхода является возможность масштабирования. Проточные элементы можно соединять в более крупные блоки для накопления энергии, что позволяет создавать системы различной мощности, подходящие как для бытового, так и для промышленного использования. В отличие от привычных литий-ионных аккумуляторов, биоаккумулятор на глюкозе и витамине B2 использует биосовместимые материалы, что снижает экологический след производства и утилизации. Это делает технологию перспективной не только для стационарных систем хранения энергии, но и для портативных устройств, работающих на безопасных и возобновляемых источниках энергии.

Другие интересные новости:

▪ Найдена молекула старости

▪ Цветное зрение слабеет к периферии

▪ Самоконструирующиеся системы

▪ Солнечный поезд

▪ Самый тонкий 13-Мп модуль от Toshiba

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Акустические системы. Подборка статей

▪ статья Сетка без узлов. Советы домашнему мастеру

▪ статья Какой знаменитый корабль выступил в роли другого не менее известного корабля в кино? Подробный ответ

▪ статья Кассир торгового зала и контролер-кассир. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Домофоны. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Приемник коротковолновика-наблюдателя. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026