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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Conducteurs en acier dans les antennes. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Antennes. La théorie Lors du choix d'un matériau pour la fabrication d'antennes, le cuivre ou l'aluminium est généralement préféré, car ces métaux ont une meilleure conductivité par rapport, par exemple, à l'acier. Mais l'acier est moins cher, et il est parfois plus facile d'en faire une antenne. L'article évalue la perte lors du remplacement des fils de cuivre par des fils en acier et autres matériaux, et donne des exemples de la détérioration de l'efficacité des antennes avec un tel remplacement. Les causes des pertes à haute fréquence dans les fils d'acier sont examinées, une méthode de mesure de la résistance unitaire des fils d'un matériau aux propriétés inconnues dans la plage de 3,5 à 28 MHz est décrite et des recommandations sont données pour la modélisation informatique de fil d'acier et antennes vibrantes. Les matériaux traditionnels pour les antennes sont le cuivre (fils) et les alliages d'aluminium (tubes). Leur avantage est une bonne conductivité. Les inconvénients comprennent une faible résistance mécanique et, ces dernières années, un coût élevé. L'expérience de l'utilisation de structures en acier comme éléments secondaires de systèmes d'antennes indique la possibilité d'utiliser des aciers bon marché et durables comme l'un des principaux matériaux pour la fabrication d'antennes. Les radioamateurs utilisent des fils bimétalliques acier-cuivre (BSM) résistants aux intempéries, ainsi que des fils flexibles isolés en polyéthylène (GSP) [1], qui ont des veines en acier avec des veines en cuivre. À cet égard, il est intéressant d'estimer les pertes lorsque l'acier remplace le cuivre ou l'aluminium traditionnel. Comme mesure d'évaluation, le rapport de la composante active R de la résistance linéaire d'un fil de section ronde du matériau à l'étude à haute fréquence à la valeur correspondante RM pour un fil de cuivre de même diamètre à la même fréquence était prise : R/RM. Comme on le sait, le courant électrique haute fréquence est inégalement réparti sur la section du fil : il est maximal en surface et décroît rapidement lorsqu'on s'en éloigne profondément dans le matériau (effet de surface). Pour les fils de diamètre supérieur à 1 mm à des fréquences supérieures à 1 MHz, l'épaisseur effective de la couche superficielle dans laquelle le courant est concentré (profondeur de pénétration) est déterminée par la formule [2] :
où f - fréquence (Hz); δ est la conductivité spécifique du matériau (S/m) ; μr - perméabilité magnétique relative du matériau; μ0 = 4π 10-7 (H/m). La section efficace du fil de diamètre d (m) pour le courant radiofréquence est s = 5πd (m2), et la résistance active linéaire
En tableau. La figure 1 montre les valeurs de δ, p et μr de certains matériaux conducteurs.
Pour les conducteurs non ferromagnétiques, μr - 1 et la formule (2) sont suffisantes pour comparer la résistance linéaire des fils, par exemple en aluminium et en cuivre. La mesure souhaitée se calcule simplement : R/RM = = √δM/δ. Ainsi, par exemple, pour l'aluminium, nous obtenons : R/RM = √56,6/35,3 = 1,265. Pour les matériaux ferromagnétiques (μr >> 1) tout est beaucoup plus compliqué. Le fait est qu'avec l'augmentation de la fréquence, μr diminue rapidement, tendant vers l'unité, et les pertes dans le matériau augmentent, en particulier les pertes par courants de Foucault augmentent proportionnellement au carré de la fréquence. Une diminution de μr conduit à un épaississement de la couche superficielle, c'est-à-dire à une diminution de la résistance, et une augmentation des pertes équivaut à une augmentation de la résistance. En conséquence, les pertes l'emportent et la résistance par unité augmente toujours avec une fréquence croissante. Tout pourrait être pris en compte (mais pas simplement) si la composition chimique et la structure de l'alliage étaient connues avec précision. Et puisque cela est rarement connu, il reste à se tourner vers le vieux critère de la vérité - à la pratique. La résistance linéaire du fil de cuivre RM a été déterminée par calcul selon la formule (2). Pour déterminer la résistance linéaire R d'un fil constitué de n'importe quel matériau aux caractéristiques inconnues, un compteur de facteur de qualité haute fréquence (kumeter) de type E9-4 a été utilisé. La préparation préalable du kumeter a consisté à calibrer la mise à niveau sur toutes les échelles selon le critère Q = fres / Δf0,707- Pour cela, un condensateur vernier à divisions par 0,1 pF a été utilisé. En conséquence, l'appareil a déterminé le facteur de qualité équivalent Q de l'ensemble du circuit de mesure, en tenant compte à la fois des pertes dans la bobine d'inductance testée et d'autres pertes (dans l'appareil lui-même, dans un condensateur externe supplémentaire, dans l'environnement et pour le rayonnement) . Pour l'isolation haute fréquence du boîtier de l'appareil du secteur et d'autres objets conducteurs, une self d'arrêt est installée, contenant 20 tours d'un cordon d'alimentation à trois fils sur un circuit magnétique annulaire K90x70x10 en ferrite de marque 400NN à l'endroit où le cordon est connecté à l'appareil. L'un des fils du cordon est un fil de terre de protection (mise à zéro) du boîtier de l'instrument. Le Kumeter a été installé sur un support diélectrique de 0,5 m de haut à une distance d'au moins 2 m des murs et autres objets volumineux, particulièrement conducteurs. Pour réduire les erreurs de mesure, il est nécessaire de préchauffer l'appareil pendant 60 minutes avant les mesures, de surveiller une éventuelle dérive du zéro et d'effectuer plusieurs (au moins 5 à 7) mesures de C et Q à chaque fréquence, suivies d'un moyennage. Lors de mesures à des fréquences supérieures à 10 MHz, le résultat peut être affecté par la main de l'opérateur qui tourne le bouton du condensateur. Pour une lecture précise, la main doit être rétractée et la tête doit être maintenue à une distance d'au moins 0,5 m de l'appareil. Supposons qu'il soit nécessaire de déterminer la résistance linéaire R d'un fil de diamètre d à une fréquence f comprise entre 3 ... 30 MHz. On prend une longueur de 1 m de ce fil et une longueur de 1 m de fil de cuivre de même diamètre. Nous fabriquons des lignes à deux fils court-circuitées identiques à partir de ces fils avec une distance entre les fils de 40 mm. Nous connectons ces lignes alternativement à l'appareil en tant qu'inducteurs, tandis que les lignes doivent être installées verticalement. Nous mesurons les facteurs de qualité des lignes des deux matériaux et les valeurs de résonance de la capacité C sur l'échelle de Kumeter. Si nécessaire (pour les fréquences inférieures à 10 MHz), on connecte un condensateur supplémentaire, de préférence du mica, mais pour les deux matériaux c'est toujours le même. Sa capacité doit être connue avec une erreur ne dépassant pas ± 5 %. Ensuite, vous devez faire quelques calculs. Tout d'abord, nous calculons la valeur de la résistance série équivalente totale des pertes req dans le circuit de mesure (cela inclut à la fois les pertes dans le fil et les autres pertes), ceci pour les deux matériaux conformément à l'expression bien connue du circuit oscillant : req = 1/(2πfCQ). Avec les mêmes tailles de ligne, avec les mêmes condensateurs supplémentaires et à la même fréquence, les autres pertes ci-dessus peuvent être supposées être les mêmes pour les deux matériaux. Et vous pouvez les trouver par des mesures sur une ligne de cuivre, car la résistance de fil calculée RM est connue pour cela. La résistance des autres pertes est donc la différence: r pp \uXNUMXd r ppm \uXNUMXd r equiv m - RM. Il reste maintenant à calculer la résistance d'un segment de 1 m de fil à partir du matériau testé R = r eq - r pp et à déterminer le rapport souhaité R / Rm. L'erreur principale du kumeter est de ± 5%. L'influence d'une éventuelle erreur systématique est partiellement compensée du fait que le résultat de la détermination de la valeur de R contient la différence dans les résultats de la mesure des valeurs de req pour différents matériaux. À partir de différents fils d'un diamètre de 1 à 4,5 mm et d'une longueur de 1 m, des segments court-circuités de lignes à deux fils ont été réalisés avec une distance entre les fils de 40 mm, au total - 25 échantillons. Les mesures ont été faites selon la méthode décrite ci-dessus à cinq fréquences : 3,5 ; 7; 14; 21; 28 MHz. Les résultats des calculs de Rm sont présentés dans la figure.
Les résultats des mesures de la résistance linéaire R et le calcul des rapports R / RM pour l'acier et certains autres fils sont résumés dans le tableau. 2.
Du tableau. 2 montre que pour les fils d'acier dans la plage de fréquences indiquée, la résistance par unité a augmenté de 15,9 ... 24,9 fois. Pour les échantillons avec une surface propre et lisse (1, 6, 8), la dépendance en fréquence de R/RM est faible. La contamination de la surface des échantillons 2, 3 et la rugosité de surface significative de l'échantillon 4 déterminent une augmentation plus significative du R/RM avec une fréquence croissante. Le recuit des fils d'acier n'a pas eu d'effet notable sur les pertes si la calamine était éliminée et la surface nettoyée. Les fils en titane et en acier inoxydable non magnétique sont environ 2,5 fois meilleurs que les fils en acier conventionnels. Le fil bimétallique acier-cuivre 9 (BSM) à toutes les fréquences perd plus de 3 fois par rapport au fil de cuivre pur, mais 5 ... 6 fois mieux que le fil d'acier pur. Notez qu'avec une épaisseur de revêtement de cuivre d'environ 0,03 mm, son objectif principal est de protéger la base en acier des influences atmosphériques. Les lignes 10, 11 montrent les données pour les fils toronnés avec une section de 0,5 mm2 d'isolation. Le fil GSP comporte 4 fils de cuivre et 3 fils d'acier d'un diamètre de 0,3 mm. En termes de pertes à 28 MHz, il s'est avéré être au niveau d'un fil d'acier d'un diamètre de 4,1 mm, et dans les bandes de basses fréquences, c'est bien mieux. Le fil de montage MGShV a 16 fils de cuivre étamé d'un diamètre de 0,2 mm et est plus de 2 fois meilleur que le GSP. Les résultats pour le fil d'aluminium 8 avec une surface lisse et propre sont en bon accord avec les résultats du calcul par la formule (2) et peuvent confirmer l'exactitude de l'approche choisie. La simulation informatique a été réalisée à l'aide du programme MMANA [3]. La particularité de la simulation est qu'à la suite de l'analyse, la composante active de l'impédance d'entrée complexe de l'antenne est déterminée, et non la résistance linéaire du fil. Et l'impédance d'entrée dépend de la taille de l'antenne, de sa configuration et de l'endroit où la source d'excitation est connectée. Cette dépendance permet cependant, à des tailles d'onde d'antennes relativement importantes, d'obtenir une perte quasi imperceptible lors du remplacement du cuivre par de l'acier. Plusieurs antennes boucles et dipôles de différentes tailles ont été prélevées pour analyse. Les résultats de la simulation sont donnés dans le tableau. 3.
La résistance au rayonnement R∑ est obtenue en tant que composante active RA de l'impédance d'entrée dans une analyse sans perte. Cette valeur de Um a été prise inchangée lors du passage du cuivre au fer, puisque la forme et les dimensions de l'antenne n'ont pas changé. On obtient également les valeurs de RAM et RAzh pour les antennes en cuivre et en fer, respectivement. L'efficacité pour le cuivre et le fer a été calculée comme le rapport de R∑ à la valeur correspondante de RA. Le rapport Rzh/Rm a été calculé par la formule : Rzh/Rm = (Razh - R∑)/(RAm - R∑) Pour l'ensemble des antennes considérées, il s'est avéré que le rapport Rl/RM est en moyenne voisin de 27,8, quelle que soit la fréquence. Cela pourrait arriver à condition que la formule (2) soit utilisée pour les calculs avec des pertes dans le fer, par exemple, avec une valeur de table de résistivité = 0,0918 Ohm mm2/m et une constante μr - 150. Soit dit en passant, les mêmes résultats sont obtenus dans le programmez ELNEC aux paramètres spécifiés. À en juger par les données expérimentales ci-dessus, ces résultats de simulation peuvent être utilisés comme une estimation de la pire perte de fil d'acier dans la gamme de fréquences jusqu'à 28 MHz. Pour la bande VHF, ils seront, apparemment, plus proches de la vérité. Du tableau. On peut voir dans le tableau 3 que même avec une telle évaluation pour les cas considérés, presque tous les coefficients de détérioration de l'efficacité sont nettement inférieurs aux coefficients R/RM pour l'acier dans le tableau. 2. Moins de perte de l'antenne en acier sera si l'antenne Rh est plus grande (voir, par exemple, un dipôle de 2x5,13 m à une fréquence de 28 MHz). Les antennes électriquement petites avec un faible R∑ et un faible rendement initial pour le cuivre sont les plus sensibles au remplacement du cuivre par de l'acier. Certains programmes de simulation d'antenne filaire (par exemple Nec2d, ASAP) ne fournissent pas d'entrée de perméabilité magnétique du matériau. Apparemment, lors de la modélisation d'antennes en acier à l'aide de la formule (2), nous pouvons supposer μr = 1 et introduire la conductivité équivalente δeq (ou résistance req) en tenant compte des pertes réelles. Pour l'acier dans la plage de 3,5 ... 28 MHz, vous pouvez entrer, respectivement, δeq = 0,19 ... 0.094 MSm / m (req = 5,3 ... 10,6 Ohm mm2 / m) pour les surfaces rugueuses et contaminées , ou δeq = 0,22 ... 0,17 MSm/m (req = 4,5.-5,9 Ohm mm2/m) pour un nettoyage propre et lisse. Le programme MM AN A ne vous permet pas de modéliser différents fils à partir de différents matériaux, tels que le cuivre et l'acier. Pour évaluer l'efficacité de l'antenne dans ce cas, il est possible d'entrer manuellement dans chaque segment du fil de cuivre, qui en fait devrait être en acier, des pertes concentrées, qui sont calculées en fonction de la longueur du segment, étant donné que la la résistance du fil d'acier à haute fréquence est 16 ... .25 fois supérieure à celle du cuivre. Par exemple, dans chacun des 10 segments identiques d'un fil de cuivre de 20 m de long et de 2 mm de diamètre à une fréquence de 3,5 MHz, vous pouvez entrer une charge active de 16-0,08-20/10 = 2,56 Ohm, où la valeur de la résistance linéaire du fil de cuivre est de 0,08 Ohm/m est déterminée par la formule (2) et peut être trouvée à partir des graphiques de la figure. Parfois, afin d'évaluer l'efficacité dans cette situation, il est possible de réduire le diamètre du fil de cuivre dans le modèle de fil (également de 16...25 fois). Cependant, il faut se rappeler que cela conduit à une augmentation significative de la résistance inductive linéaire, par conséquent, la répartition du courant dans la structure et tout ce qui s'y rapporte peut changer radicalement. Le changement d'efficacité de l'antenne lors du remplacement du fil de cuivre par de l'acier dépend des dimensions de l'onde et de l'efficacité initiale de l'antenne en cuivre. Si l'efficacité d'une antenne demi-onde en cuivre est de 0,98 ... 0,99, une antenne en acier de même taille peut avoir une efficacité de 0,7 ... 0,85, ce qui n'est pas si mal. Cependant, si l'efficacité d'une antenne en cuivre électriquement petite est de l'ordre de quelques pour cent, le remplacement du cuivre par de l'acier peut entraîner sa détérioration de 15 à 25 fois. L'auteur remercie F. Golovin (RZ3TC) pour avoir posé le problème et son soutien dans le travail, ainsi que I. Karetnikova pour ses précieux commentaires. littérature
Auteur : A. Grecikhin (UA3TZ), Nizhny Novgorod
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