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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Conductores de acero en antenas. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Antenas. Teoría A la hora de elegir un material para fabricar antenas, se suele dar preferencia al cobre o al aluminio, ya que estos metales tienen mejor conductividad que, por ejemplo, el acero. Pero el acero es más barato y, a veces, es más fácil fabricar una antena con él. El artículo evalúa las pérdidas al reemplazar cables de cobre por cables de acero y otros materiales y proporciona ejemplos del deterioro de la eficiencia de la antena durante dicho reemplazo. Se consideran las causas de las pérdidas de alta frecuencia en alambres de acero, se describe un método para medir la resistencia activa lineal de alambres hechos de un material con propiedades desconocidas en el rango de 3,5...28 MHz y se dan recomendaciones para el modelado por computadora de Antenas de hilo y vibrador fabricadas en acero. Los materiales tradicionales para las antenas son el cobre (cables) y las aleaciones de aluminio (tubos). Su ventaja es la buena conductividad. Las desventajas incluyen una baja resistencia mecánica y, en los últimos años, un alto costo. La experiencia en el uso de estructuras de acero como elementos secundarios de sistemas de antenas indica la posibilidad de utilizar aceros baratos y duraderos como uno de los principales materiales para la fabricación de antenas. Los radioaficionados utilizan cables bimetálicos de acero y cobre (BSM) resistentes a la intemperie, así como cables flexibles aislados con polietileno (GSP) [1], que tienen núcleos de acero junto con cables de cobre. En este sentido, resulta interesante estimar las pérdidas al sustituir el tradicional cobre o aluminio por acero. Como medida de evaluación, se tomó la relación entre el componente activo R de la resistencia lineal de un alambre de sección redonda hecho del material en estudio a alta frecuencia y el valor correspondiente RM para un alambre de cobre del mismo diámetro a la misma frecuencia. tomado: R/RM. Como es sabido, la corriente eléctrica de alta frecuencia se distribuye de manera desigual a lo largo de la sección transversal de un cable: es máxima cerca de la superficie y disminuye rápidamente a medida que uno se adentra más en el material (efecto de superficie). Para cables con un diámetro superior a 1 mm a frecuencias superiores a 1 MHz, el espesor efectivo de la capa superficial en la que se concentra la corriente (profundidad de penetración) está determinado por la fórmula [2]:
donde f es la frecuencia (Hz); δ - conductividad específica del material (S/m); μr - permeabilidad magnética relativa del material; μ0 = 4π·10-7 (H/m). La sección transversal efectiva de un cable con diámetro d (m) para corriente de radiofrecuencia es s = 5πd (m2), y la resistencia activa lineal
En mesa. 1 muestra los valores de δ, p y μr de algunos materiales conductores.
Para conductores no ferromagnéticos, μr es 1 y la fórmula (2) es suficiente para comparar la resistencia lineal de cables, por ejemplo, de aluminio y cobre. La medida requerida se calcula simplemente: R/RM = = √δM/δ. Así, por ejemplo, para el aluminio obtenemos: R/RM = √56,6/35,3 = 1,265. Para materiales ferromagnéticos (μr >> 1) todo es mucho más complicado. El hecho es que al aumentar la frecuencia, μr disminuye rápidamente, tendiendo a la unidad, y las pérdidas en el material aumentan, en particular, las pérdidas debidas a corrientes parásitas aumentan en proporción al cuadrado de la frecuencia. Una disminución de μr conduce a un engrosamiento de la capa superficial, es decir, una disminución de la resistencia, y un aumento de las pérdidas equivale a un aumento de la resistencia. Como resultado, las pérdidas son mayores y la resistencia lineal sigue aumentando al aumentar la frecuencia. Todo se podría tener en cuenta (aunque no fácilmente) si conociéramos exactamente la composición química y la estructura de la aleación. Y como esto rara vez se sabe, queda recurrir al antiguo criterio de la verdad: la práctica. La resistencia lineal del alambre de cobre RM se determinó mediante cálculo utilizando la fórmula (2). Para determinar la resistencia lineal R de un cable fabricado de cualquier material con características desconocidas, se utilizó un medidor de factor de calidad de alta frecuencia (kumeter) tipo E9-4. La preparación preliminar del medidor consistió en calibrar el ajuste de nivel en todas las escalas según el criterio Q = fres/Δf0,707, para esto se utilizó un capacitor vernier con divisiones de 0,1 pF. Como resultado, el dispositivo determinó el factor de calidad equivalente Q de todo el circuito de medición, teniendo en cuenta tanto las pérdidas en el inductor probado como otras pérdidas (en el propio dispositivo, en un condensador externo adicional, en el medio ambiente y debido a la radiación). . Para aislar el cuerpo del dispositivo de la red eléctrica y otros objetos conductores de alta frecuencia, se instala un estrangulador de apagado que contiene 20 vueltas de un cable de alimentación de tres hilos en un núcleo magnético anular K90x70x10 hecho de ferrita de grado 400NN en el punto donde el cable está conectado al dispositivo. Uno de los cables del cable es el cable de conexión a tierra (conexión a tierra) de protección del cuerpo del dispositivo. El kumeter se instaló sobre un soporte dieléctrico de 0,5 m de altura a una distancia de al menos 2 m de las paredes y otros objetos grandes, especialmente conductores. Para reducir los errores de medición, es necesario calentar el dispositivo durante 60 minutos antes de las mediciones, monitorear la posible deriva del cero y realizar varias (al menos 5-7) mediciones de C y Q en cada frecuencia, seguidas de un promedio. Al medir a frecuencias superiores a 10 MHz, el resultado puede verse influenciado por la mano del operador que gira la manija del capacitor. Para obtener lecturas precisas, su mano debe alejarse y su cabeza debe mantenerse a una distancia no inferior a 0,5 m del dispositivo. Digamos que necesitamos determinar la resistencia lineal R de un cable con un diámetro d a una frecuencia f en el rango de 3...30 MHz. Tomamos un trozo de este cable de 1 m de largo y un trozo de alambre de cobre de 1 m de largo del mismo diámetro. A partir de estos cables hacemos líneas idénticas de dos cables en cortocircuito con una distancia entre los cables de 40 mm. Conectamos estas líneas alternativamente al dispositivo como inductores, y las líneas deben instalarse verticalmente. Medimos los factores de calidad para líneas hechas de ambos materiales y los valores resonantes de la capacitancia C en la escala de cumetro. Si es necesario (para frecuencias inferiores a 10 MHz), conectamos un condensador adicional, preferiblemente de mica, pero para ambos materiales debe ser igual. Se debe conocer su capacidad con un error no mayor al ±5%. A continuación necesitas hacer algunos cálculos. Primero, calculemos el valor de la resistencia en serie equivalente total de las pérdidas requeridas en el circuito de medición (esto incluye tanto las pérdidas en el cable como otras pérdidas) Esto se hace para ambos materiales de acuerdo con la conocida expresión para un circuito oscilatorio. : req = 1/(2πfCQ). Con los mismos tamaños de línea, los mismos condensadores adicionales y la misma frecuencia, se puede suponer que las otras pérdidas anteriores son las mismas para ambos materiales. Y se pueden encontrar midiendo en una línea de cobre, ya que para ello se conoce la resistencia calculada del cable RM. La resistencia de otras pérdidas es, por tanto, la diferencia: r pp = r ppm = r eq m - RM. Ahora queda calcular la resistencia de una sección de alambre de 1 m del material de prueba R = r eq - r pp y determinar la relación requerida R/Rm. El error principal del medidor es ±5%. La influencia de un posible error sistemático se compensa parcialmente por el hecho de que el resultado de determinar el valor de R contiene la diferencia en los resultados de medir los valores de req para diferentes materiales. A partir de diferentes alambres con un diámetro de 1 a 4,5 mm y una longitud de 1 m, se realizaron secciones en cortocircuito de líneas de dos alambres con una distancia entre los alambres de 40 mm, para un total de 25 muestras. Las mediciones se llevaron a cabo según el método descrito anteriormente en cinco frecuencias: 3,5; 7; 14; 21; 28MHz. Los resultados de los cálculos de Rm se muestran en la figura.
Los resultados de medir la resistencia lineal R y calcular las relaciones R/RM para alambres de acero y algunos otros se resumen en la tabla. 2.
De la mesa 2 muestra que para los alambres de acero en el rango de frecuencia especificado la resistencia lineal aumentó entre 15,9...24,9 veces. Para muestras con una superficie limpia y lisa (1, 6, 8), la dependencia de R/RM de la frecuencia es débil. La contaminación de la superficie de las muestras 2, 3 y la importante rugosidad de la superficie de la muestra 4 determinan un aumento más significativo de R/RM con una frecuencia creciente. El recocido de alambres de acero no tuvo un efecto perceptible sobre las pérdidas si se eliminaban las incrustaciones y se limpiaba la superficie. Los alambres hechos de titanio y acero inoxidable no magnético tienen aproximadamente 2,5 veces más ventaja que los alambres de acero comunes. El alambre bimetálico de acero y cobre 9 (BSM) en todas las frecuencias es inferior al cobre puro en más de 3 veces, pero es 5...6 veces mejor que el acero puro. Tenga en cuenta que con un espesor de revestimiento de cobre de aproximadamente 0,03 mm, su objetivo principal es proteger la base de acero de las influencias atmosféricas. Las líneas 10, 11 proporcionan datos para cables trenzados con una sección transversal de 0,5 mm2 de aislamiento. El cable GSP tiene 4 núcleos de cobre y 3 de acero con un diámetro de 0,3 mm. En términos de pérdidas a 28 MHz, estaba al nivel de un cable de acero con un diámetro de 4,1 mm, y en rangos de baja frecuencia era mucho mejor. El cable de instalación MGShV tiene 16 núcleos de cobre estañado con un diámetro de 0,2 mm y es más de 2 veces mejor que GSP. Los resultados para el alambre de aluminio 8 con una superficie lisa y limpia concuerdan bien con los resultados del cálculo utilizando la fórmula (2) y pueden servir como confirmación de la corrección del enfoque elegido. La simulación por computadora se llevó a cabo utilizando el programa MMANA [3]. La peculiaridad de la simulación es que, como resultado del análisis, se determina el componente activo de la resistencia de entrada compleja de la antena, y no la resistencia lineal del cable. Y la impedancia de entrada depende del tamaño de la antena, su configuración y la ubicación de la conexión de la fuente de excitación. Esta dependencia, sin embargo, permite, con tamaños de onda de antena relativamente grandes, obtener una pérdida casi imperceptible al reemplazar el cobre por acero. Se tomaron para el análisis varias antenas de bucle y dipolo de diferentes tamaños. Los resultados de la simulación se dan en la tabla. 3.
La resistencia a la radiación R∑ se obtiene como componente activo RA de la impedancia de entrada en un análisis sin tener en cuenta las pérdidas. Este valor de Se asumió sin cambios durante la transición del cobre al hierro, ya que la forma y dimensiones de la antena no cambiaron. También se obtuvieron los valores de RAM y RAz para antenas fabricadas en cobre y hierro, respectivamente. La eficiencia para el cobre y el hierro se calculó como la relación entre R∑ y el valor RA correspondiente. La relación Rl/Rm se calculó mediante la fórmula: Rzh/Rm = (Razh - R∑)/(RAm - R∑) Para todas las antenas consideradas, resultó que la relación Rzh/RM es en promedio cercana a 27,8, independientemente de la frecuencia. Esto podría haber sucedido si se hubiera utilizado la fórmula (2) para los cálculos con pérdidas en el hierro, por ejemplo, con un valor tabulado de resistividad = 0,0918 Ohm mm2/m y una constante μr - 150. Los mismos resultados, por cierto, son obtenido en el programa ELNEC en los parámetros especificados. Con base en los datos experimentales anteriores, estos resultados de simulación se pueden utilizar como una estimación de la pérdida en el peor de los casos en alambre de acero en el rango de frecuencia de hasta 28 MHz. Para la banda VHF probablemente estarán más cerca de la verdad. De la mesa La Tabla 3 muestra que incluso con tal evaluación para los casos considerados, casi todos los factores de deterioro de la eficiencia son significativamente menores que los factores R/RM para el acero en la Tabla. 2. La pérdida de una antena de acero será menor si el Rh de la antena es mayor (ver, por ejemplo, un dipolo de 2x5,13 m a una frecuencia de 28 MHz). Las antenas eléctricamente pequeñas con R∑ pequeño y una eficiencia inicialmente baja para el cobre son las más sensibles a la sustitución del cobre por acero. Algunos programas de modelado de antenas de cable (por ejemplo, Nec2d, ASAP) no proporcionan información sobre la permeabilidad magnética del material. Aparentemente, al modelar antenas de acero usando la fórmula (2), se puede asumir μr = 1 e introducir la conductividad equivalente δeq (o resistencia req) teniendo en cuenta las pérdidas reales. Para acero en el rango de 3,5...28 MHz, puede introducir, respectivamente, δeq = 0,19... 0.094 MSm/m (req = 5,3...10,6 Ohm mm2/m) para superficies rugosas y contaminadas, o δeq = 0,22...0,17 MSm/m (req = 4,5.-5,9 Ohm mm2/m) para limpieza y suavidad. El programa MM AN A no le permite simular diferentes cables hechos de diferentes materiales, por ejemplo, cobre y acero. Para estimar la eficiencia de la antena en este caso, se pueden introducir manualmente en cada segmento del cable de cobre, que en realidad debería ser de acero, pérdidas concentradas, que se calculan en función de la longitud del segmento, teniendo en cuenta que la línea La resistencia de un alambre de acero a alta frecuencia es 16... 25 veces mayor que la del cobre. Por ejemplo, en cada uno de los 10 segmentos idénticos de un cable de cobre de 20 m de largo y 2 mm de diámetro a una frecuencia de 3,5 MHz, se puede introducir una carga activa de 16-0,08-20/10 = 2,56 ohmios, donde la resistencia lineal del cable de cobre es 0,08 ohmios/m se determina mediante la fórmula (2) y se puede encontrar en los gráficos de la figura. A veces, para evaluar la eficiencia en esta situación, es posible reducir el diámetro del alambre de cobre en el modelo (también entre 16 y 25 veces). Sin embargo, hay que recordar que esto conduce a un aumento significativo de la reactancia inductiva lineal, por lo que la distribución de corriente en la estructura y todo lo relacionado con ella puede cambiar mucho. El cambio en la eficiencia de la antena al reemplazar un cable de cobre por uno de acero depende de las dimensiones de la onda y de la eficiencia inicial de la antena de cobre. Si la eficiencia de una antena de cobre de media onda es 0,98...0,99, entonces una antena de acero del mismo tamaño puede tener una eficiencia de 0,7...0,85, lo cual no es tan malo. Sin embargo, si la eficiencia de una antena de cobre eléctricamente pequeña es del orden de un pequeño porcentaje, sustituir el cobre por acero puede provocar su deterioro entre 15 y 25 veces. El autor agradece a F. Golovin (RZ3TC) por solucionar el problema y su apoyo en el trabajo, así como a I. Karetnikova por sus valiosos comentarios. Literatura
Autor: A. Grechikhin (UA3TZ), Nizhny Novgorod
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