天线中的钢导体。方案、说明

天线中的钢导体。无线电电子电气工程百科全书

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在选择制造天线的材料时，通常优先考虑铜或铝，因为这些金属比钢等金属具有更好的导电性。但钢材更便宜，有时用它制作天线也更容易。该文章对用钢线和其他材料制成的线替换铜线时的损耗进行了评估，并提供了在这种替换过程中天线效率恶化的示例。考虑了钢丝高频损耗的原因，描述了一种在 3,5...28 MHz 范围内测量由未知特性材料制成的钢丝线性有源电阻的方法，并给出了计算机建模的建议。钢丝和振动器天线。

传统的天线材料是铜（线）和铝合金（管）。它们的优点是导电性好。缺点包括机械强度低，而且近年来成本高。

使用钢结构作为天线系统次要元件的经验表明使用廉价且耐用的钢材作为制造天线的主要材料之一的可能性。无线电爱好者使用耐候双金属钢铜线 (BSM) 以及柔性聚乙烯绝缘线 (GSP) [1]，后者具有钢脉和铜脉。在这方面，估计钢取代传统铜或铝时的损失是有意义的。

作为评估措施，所研究材料的圆形横截面导线在高频下的线性电阻的有效分量 R 与相同直径的铜线在相同频率下的相应值 RM 之比为采取：R/RM。

众所周知，高频电流在导线的横截面上分布不均匀：电流在表面处最大，当远离材料深入材料时迅速减小（表面效应）。对于1 MHz以上频率下直径大于1 mm的导线，电流集中的表层有效厚度（穿透深度）由公式[2]确定：

其中 f 是频率 (Hz)； δ为材料的电导率（S/m）； μr——材料的相对磁导率； μ0 = 4π·10-7 (H/m)。直径d（m）的导线对于射频电流的有效截面积为s=5πd（m2），线性有源电阻

表中。图1显示了一些导体材料的δ、p和μr的值。

天线中的钢导体

对于非铁磁导体，μr - 1 和公式 (2) 足以比较导线（例如铝线和铜线）的线性电阻。所需的测量值可简单计算：R/RM == √δM/δ。因此，例如，对于铝，我们得到： R/RM = √56,6/35,3 = 1,265。对于铁磁材料 (μr >> 1)，一切都要复杂得多。事实是，随着频率的增加，μr迅速减小，趋于一致，并且材料中的损耗增加，特别是涡流损耗与频率的平方成比例地增加。 μr的减小导致表层变厚，即电阻减小，损耗增大相当于电阻增大。结果，损耗超过并且单位电阻仍然随着频率的增加而增加。如果准确地知道合金的化学成分和结构，一切都可以考虑（尽管不简单）。由于这一点很少为人所知，因此仍然需要转向古老的真理标准——实践。

铜线的线性电阻RM根据公式(2)计算确定。为了确定由具有未知特性的任何材料制成的导线的线性电阻 R，使用了 E9-4 型高频品质因数计 (kumeter)。

kumeter 的初步准备包括根据标准 Q = fres / Δf0,707 校准所有刻度上的电平设置。为此，使用了分度为 0,1 pF 的游标电容器。因此，该设备确定了整个测量电路的等效品质因数 Q，同时考虑了被测电感线圈中的损耗和其他损耗（设备本身、附加外部电容器、环境和辐射中的损耗）。为了使设备外壳与电源和其他导电物体实现高频隔离，在由 20NN 级铁氧体制成的 K90x70x10 环形磁路上安装了一个截止扼流圈，其中包含 400 匝三线电源线。电源线已连接至设备。其中一根电线是仪器外壳的保护接地线（调零）。 Kumeter 安装在 0,5 m 高的介电支架上，距离墙壁和其他（尤其是导电的）大型物体至少 2 m。

为了减少测量误差，有必要在测量前将设备预热 60 分钟，监控可能的零漂移，并在每个频率下对 C 和 Q 进行多次（至少 5-7 次）测量，然后取平均值。当测量频率高于 10 MHz 时，结果可能会受到操作员转动电容器旋钮的手的影响。为了准确读数，手应缩回，头部与设备的距离不应小于 0,5 m。

假设需要确定直径为 d 的导线在 3 ... 30 MHz 频率范围内的线性电阻 R。我们取一根长度为 1 m 的该电线和长度为 1 m 的相同直径的铜线。我们用这些电线制作相同的短路两线线路，电线之间的距离为 40 毫米。我们将这些线作为电感交替连接到设备上，并且线必须垂直安装。我们测量由两种材料制成的线路的品质因数以及以立方米为单位的电容 C 的谐振值。如有必要（对于低于 10 MHz 的频率），我们会连接一个额外的电容器，最好是云母，但对于两种材料，它必须相同。其容量必须已知，误差不超过±5%。

接下来，您需要进行一些计算。首先，让我们计算测量电路中损耗 req 的总等效串联电阻值（这包括导线损耗和其他损耗）。这是根据振荡电路的众所周知的表达式对两种材料完成的：要求 = 1/(2πfCQ)。在相同的线路尺寸、相同的附加电容器和相同的频率的情况下，可以假设两种材料的上述其他损耗是相同的。它们可以通过在铜线上测量来找到，因为计算出的线电阻 RM 是已知的。因此，其他损耗的电阻是差值：r pp = r ppm = r eq m - RM。

现在需要计算被测材料中一段 1 m 导线的电阻 R = r eq - r pp 并确定所需的比率 R / Rm。

库米的主要误差为±5%。由于确定R值的结果包含测量不同材料的req值的结果的差异，所以可能的系统误差的影响得到部分补偿。

采用直径为1～4,5mm、长度为1m的不同导线，制作两线线路的短路段，导线之间的距离为40mm，总共25个样品。根据上述方法在五个频率下进行测量：3,5；7。 14； 21； 28； XNUMX兆赫。 Rm计算结果如图所示。

天线中的钢导体

表中总结了钢丝和其他一些线材的线性电阻 R 的测量结果以及 R / RM 比率的计算结果。 2.

（点击放大）

从表。图 2 显示，对于指定频率范围内的钢丝，线性电阻增加了 15,9...24,9 倍。对于表面干净光滑的样品 (1, 6, 8)，R/RM 对频率的依赖性较弱。样品 2、3 的表面污染和样品 4 的显着表面粗糙度决定了 R/RM 随着频率的增加而更加显着的增加。如果去除氧化皮并清洁表面，则退火钢丝不会对损耗产生明显影响。

钛和非磁性不锈钢丝比传统钢丝好大约2,5倍。双金属钢铜线9（BSM）在所有频率下都比纯铜线损失3倍以上，但比纯钢线好5…6倍。请注意，铜镀层厚度约为 0,03 毫米，其主要目的是保护钢基免受大气影响。

第 10、11 行显示绝缘层横截面为 0,5 mm2 的绞合线的数据。 GSP线有4根铜线和3根钢线，直径为0,3毫米。就28 MHz的损耗而言，它达到了直径4,1毫米钢丝的水平，而在低频频段则要好得多。安装线MGShV有16根镀锡铜线，直径为0,2毫米，比GSP好2倍以上。

表面光滑洁净的铝丝8的计算结果与式(2)的计算结果吻合较好，可以证实所选择方法的正确性。

使用MMANA程序进行计算机模拟[3]。仿真的特点是，作为分析的结果，确定了天线的复输入阻抗的有源分量，而不是导线的线性电阻。输入阻抗取决于天线的尺寸、其配置以及激励源的连接位置。然而，这种依赖性使得在天线的波长相对较大的情况下，当用钢代替铜时可以获得几乎不可察觉的损耗。

采用几个不同尺寸的环形和偶极天线进行分析。模拟结果如表所示。 3.

（点击放大）

辐射电阻 RΣ 作为无损分析中输入阻抗的有源分量 RA 获得。在从铜过渡到铁的过程中，Um 值保持不变，因为天线的形状和尺寸没有改变。还获得了分别由铜和铁制成的天线的 RAM 和 RAzh 值。铜和铁的效率计算为 RΣ 与 RA 相应值的比率。 Rzh/Rm 比值通过以下公式计算：

Rzh/Rm = (Razh - R∑)/(RAm - R∑)

对于所有考虑的天线，结果表明，无论频率如何，Rl/RM 比率平均接近 27,8。

如果使用公式 (2) 计算铁损，例如，电阻率表值为 0,0918 Ohm mm2/m，常数 μr - 150，则可能会发生这种情况。顺便说一下，在按指定参数对 ELNEC 进行编程。从上述实验数据来看，这些仿真结果可以用作28 MHz以下频率范围内最坏情况钢丝损耗的估计。对于 VHF 频段，他们显然更接近事实。

从表中表 3 显示，即使对所考虑的情况进行了这样的评估，几乎所有效率恶化因子都显着小于表中钢的 R/RM 因子。 2. 如果天线的Rh 较大，钢制天线的损耗会较小（例如，频率为2 MHz 的5,13x28 m 偶极子）。具有较小 RΣ 且最初铜效率较低的电气小型天线对于用钢替代铜最为敏感。

某些线天线建模程序（例如 Nec2d、ASAP）不提供材料磁导率的输入。显然，当使用公式（2）对钢天线进行建模时，可以假设μr = 1，并引入考虑实际损耗的等效电导率δeq（或电阻req）。对于 3,5...28 MHz 范围内的钢材，对于粗糙和污染的表面，您可以分别输入 δeq = 0,19... 0.094 MSm/m (req = 5,3...10,6 Ohm mm2/m)，或 δeq = 0,22 ... 0,17 MSm / m（要求 = 4,5.-5,9 Ohm mm2 / m），干净光滑。

MM AN A 程序不允许您模拟由不同材料（例如铜和钢）制成的不同电线。要估计这种情况下天线的效率，您可以手动引入铜线的每个段（实际上应该是钢线），集中损耗是根据段的长度计算的，同时考虑到线性钢丝在高频下的电阻是铜的 16...25 倍。例如，在 10 MHz 频率下，在 20 m 长、直径 2 mm 的铜线的 3,5 个相同段的每段中，可以引入 16-0,08-20/10 = 2,56 Ohm 的有源负载，其中线性电阻铜线的电阻值为0,08 .2 Ohm/m，由公式(XNUMX)确定，并且可以从图中的曲线图中找到。

有时，为了评估这种情况下的效率，可以减小导线模型中铜线的直径（也可以减小 16...25 倍）。然而，必须记住，这会导致线性电感电阻显着增加，因此结构中的电流分布以及与其连接的所有物体都会发生巨大变化。

用钢线替代铜线时天线效率的变化取决于波尺寸和铜天线的初始效率。如果半波铜天线的效率是0,98...0,99，那么相同尺寸的钢天线可以有0,7...0,85的效率，这还不错。然而，如果电气小型铜天线的效率约为百分之几，用钢代替铜可能会导致其性能恶化 15...25 倍。

作者感谢 F. Golovin (RZ3TC) 在工作中提出问题和支持，以及 I. Karetnikova 提出的宝贵意见。

文学

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Goncharenko IV 天线的计算机模拟。关于 MMANA 计划的所有信息。 - M.：IP RadioSoft；《广播》杂志，2002年。

作者：A. Grechikhin (UA3TZ)，下诺夫哥罗德

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