アンテナの鋼導体。スキーム、説明

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アンテナ内の鋼鉄導体。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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アンテナの製造用の材料を選択する場合、通常は銅またはアルミニウムが好まれます。これらの金属は、鋼などに比べて導電性が優れているためです。しかし、鋼鉄は安価であり、鉄鋼でアンテナを作る方が簡単な場合もあります。この記事では、銅線を鋼線や他の材質の線に置き換えた場合の損失を評価し、そのような置き換えによるアンテナの効率の低下の例を示しています。鋼線の高周波損失の原因が検討され、3,5 ～ 28 MHz の範囲で未知の特性を持つ材料からの線の単位当たりの抵抗を測定する方法が説明され、コンピュータモデリングに関する推奨事項が示されています。スチールワイヤーとバイブレーターアンテナ。

アンテナの従来の材料は銅 (ワイヤー) とアルミニウム合金 (チューブ) です。それらの利点は良好な導電性です。機械的強度が低く、近年ではコストが高くなるという欠点があります。

アンテナシステムの二次要素として鋼構造物を使用した経験は、安価で耐久性のある鋼材をアンテナ製造の主な材料の 1 つとして使用できる可能性を示しています。アマチュア無線家は、耐候性のバイメタル鋼銅線 (BSM) と、銅の静脈とともに鋼脈を持つ柔軟なポリエチレン絶縁ワイヤ (GSP) [XNUMX] を使用します。この点で、従来の銅やアルミニウムを鉄鋼に置き換えた場合の損失を見積もることは興味深いことです。

評価の尺度として、研究対象の材料からの円形断面のワイヤの高周波での線形抵抗の有効成分 R と、同じ周波数での同じ直径の銅ワイヤの対応する値 RM との比は次のとおりです。撮影：R/RM。

知られているように、高周波電流はワイヤの断面全体に不均一に分布します。電流は表面で最大となり、そこから材料の奥深くに移動すると急速に減少します（表面効果）。 1 MHz を超える周波数で直径が 1 mm を超えるワイヤの場合、電流が集中する表面層の有効厚さ (浸透深さ) は、式 [2] によって決定されます。

ここで、f - 周波数 (Hz)。 δ は材料の比導電率 (S/m) です。 μr - 材料の比透磁率。 μ0 = 4π 10-7 (H/m)。高周波電流に対する直径 d (m) のワイヤの有効断面積は s = 5πd (m2) であり、線形アクティブ抵抗は

表で。 1は、いくつかの導体材料のδ、p、およびμrの値を示しています。

アンテナの鋼導体

非強磁性導体の場合、μr - 1 と式 (2) は、たとえばアルミニウムと銅からのワイヤの線形抵抗を比較するのに十分です。目的の尺度は次のように簡単に計算されます: R/RM = = √δM/δ。したがって、たとえばアルミニウムの場合、次のようになります: R/RM = √56,6/35,3 = 1,265。強磁性体 (μr >> 1) の場合は、すべてがさらに複雑になります。実際には、周波数が増加すると、μr は急速に減少し、XNUMX になる傾向があり、材料の損失が増加します。特に、渦電流損失は周波数の XNUMX 乗に比例して増加します。 μrが小さくなると表面層が厚くなる、つまり抵抗が小さくなり、損失が増加することは抵抗が増加することと等価です。その結果、損失の方が大きくなり、周波数が増加するにつれて単位あたりの抵抗も増加します。合金の化学組成と構造が正確にわかっていれば、（単純ではありませんが）すべてを考慮に入れることができます。そして、これはめったに知られていないため、古い真実の基準、つまり実践する必要があります。

銅線の直線抵抗ＲＭは、式（２）に従って計算により求めた。特性が未知の材料で作られたワイヤの線形抵抗 R を測定するには、E2-9 タイプの高周波品質係数計 (kumeter) を使用しました。

クメーターの事前準備は、基準 Q = fres / Δf0,707 に従ってすべてのスケールのレベル設定を校正することから構成され、このために、0,1 pF までの分割を持つバーニアコンデンサが使用されました。その結果、デバイスは、テストされたインダクタコイルの損失とその他の損失（デバイス自体、追加の外部コンデンサ、環境および放射線）の両方を考慮して、測定回路全体の等価品質係数Qを決定しました。。装置ケースを主電源やその他の導電性物体から高周波絶縁するために、20NN グレードのフェライトで作られた K90x70x10 リング磁気回路上の 400 線電源コードを 0,5 回巻いた遮断チョークが取り付けられています。コードはデバイスに接続されています。コードのワイヤの 2 つは、計器ケースの保護アース線 (ゼロ調整) です。 Kumeter は、壁やその他の特に導電性の大きな物体から少なくとも XNUMX m の距離をおいて、高さ XNUMX m の誘電体スタンドに設置されました。

測定誤差を減らすには、測定前にデバイスを 60 分間ウォームアップし、ゼロドリフトの可能性を監視し、各周波数で C と Q を複数回 (少なくとも 5 ～ 7 回) 測定し、平均する必要があります。 10 MHz を超える周波数で測定する場合、コンデンサのノブを回すオペレータの手によって結果が影響を受ける可能性があります。正確に読み取るためには、手を引っ込めて、頭をデバイスから 0,5 m 以内の距離に保つ必要があります。

3 ... 30 MHz 以内の周波数 f で直径 d のワイヤの線形抵抗 R を決定する必要があるとします。このワイヤの長さ 1 m と、同じ直径の銅線の長さ 1 m を選択します。これらのワイヤから、ワイヤ間の距離が 40 mm の同一の短絡 10 ワイヤ線を作成します。これらのラインをインダクタとしてデバイスに交互に接続しますが、ラインは垂直に取り付ける必要があります。両方の材料からの線路の品質係数と、クメータースケールでの静電容量Cの共振値を測定します。必要に応じて (5 MHz 未満の周波数の場合)、追加のコンデンサ、できればマイカを接続しますが、両方の材料で常に同じです。その容量は、± XNUMX% 以内の誤差で知る必要があります。

次に、いくつかの計算を行う必要があります。まず、測定回路の損失 req の合計等価直列抵抗の値を計算します (これには、ワイヤの損失とその他の損失の両方が含まれます)。これは、発振回路のよく知られた式に従って、両方の材料に対して行われます。 : req = 1/(2πfCQ)。同じ線路サイズ、同じ追加コンデンサ、同じ周波数では、上記の他の損失は両方の材料で同じであると仮定できます。また、計算された配線抵抗 RM が既知であるため、銅線の測定によってそれらを見つけることができます。したがって、他の損失の抵抗は差です：r pp \uXNUMXd r ppm \uXNUMXd r equiv m - RM。

ここで、試験対象の材料から 1 m のワイヤのセグメントの抵抗 R = r eq - r pp を計算し、目的の比 R / Rm を決定することが残っています。

クメーターの主な誤差は±5%です。 R の値を決定した結果には、さまざまな材料の req の値を測定した結果の差が含まれているため、起こり得る系統誤差の影響は部分的に補正されます。

直径 1 ～ 4,5 mm、長さ 1 m のさまざまなワイヤから、ワイヤ間の距離 40 mm で 25 ワイヤ線の短絡セグメントを作成し、合計 3,5 個のサンプルを作成しました。測定は、上記の方法に従って、次の 7 つの周波数で行われました。 14; 21; 28; XNUMXMHz。 Rmの計算結果を図に示します。

アンテナの鋼導体

スチールおよびその他のワイヤーの線形抵抗 R の測定結果と R / RM 比の計算結果を表にまとめます。 2.

（クリックして拡大）

表から。図 2 は、示された周波数範囲の鋼線の場合、単位あたりの抵抗が 15,9 ～ 24,9 倍増加したことを示しています。表面がきれいで滑らかなサンプル (1、6、8) では、R/RM の周波数依存性は弱くなります。サンプル 2、3 の表面の汚染とサンプル 4 の顕著な表面粗さにより、周波数が増加するにつれて R/RM がより顕著に増加します。スケールが除去され表面がきれいであれば、鋼線の焼きなましは損失に目立った影響を与えませんでした。

チタンおよび非磁性ステンレス鋼線は、従来の鋼線に比べて約2,5倍優れています。バイメタル鋼銅線 9 (BSM) は、すべての周波数において純銅線よりも 3 倍以上劣りますが、純鋼線よりも 5 ～ 6 倍優れています。銅コーティングの厚さは約 0,03 mm で、その主な目的は鋼のベースを大気の影響から保護することであることに注意してください。

行 10、11 は、絶縁体断面積 0,5 mm2 のより線のデータを示しています。 GSP ワイヤには、直径 4 mm の 3 本の銅線と 0,3 本の鋼線が含まれています。 28 MHz での損失に関しては、直径 4,1 mm の鋼線のレベルであることが判明し、低周波数帯域でははるかに優れています。取り付けワイヤMGShVには、直径16 mmの錫メッキ銅線が0,2本あり、GSPよりも2倍以上優れています。

滑らかできれいな表面を有するアルミニウムワイヤ 8 の結果は、式 (2) による計算結果とよく一致しており、選択したアプローチの正しさを確認できます。

コンピュータシミュレーションはMMANAプログラム[3]を使用して実行されました。シミュレーションの特徴は、解析の結果、ワイヤの線形抵抗ではなく、アンテナの複素入力インピーダンスの有効成分が決定されることです。また、入力インピーダンスは、アンテナのサイズ、構成、励振源が接続されている場所によって異なります。ただし、この依存性により、アンテナの波長が比較的大きい場合、銅を鋼に置き換えると、ほとんど知覚できないほどの損失が得られます。

分析のために、さまざまなサイズのいくつかのループアンテナとダイポールアンテナが使用されました。シミュレーション結果を表に示します。 3.

（クリックして拡大）

放射抵抗 R∑ は、無損失解析で入力インピーダンスの有効成分 RA として取得されます。アンテナの形状と寸法が変わらなかったため、この Um の値は銅から鉄への移行中に変更されずに取得されました。また、銅と鉄で作られたアンテナの RAM と RAzh の値もそれぞれ取得されます。銅と鉄の効率は、対応する RA の値に対する RΣ の比として計算されました。 Rzh/Rm 比は次の式で計算されました。

Rzh / Rm =（Razh-R∑）/（RAm-R∑）

考慮したすべてのアンテナについて、周波数に関係なく、比 Rl/RM は平均して 27,8 に近いことがわかりました。

これは、式 (2) が鉄損の計算に使用された場合、たとえば、抵抗率 = 0,0918 Ohm mm2/m および定数 μr - 150 のテーブル値が使用された場合に発生する可能性があります。ちなみに、同じ結果が得られます。指定されたパラメータで ELNEC をプログラムします。上記の実験データから判断すると、これらのシミュレーション結果は、最大 28 MHz の周波数範囲における最悪の場合の鋼線損失の推定値として使用できます。 VHF帯に関しては、明らかに真実に近いものとなるだろう。

表から。表 3 から、考慮したケースについてそのような評価を行ったとしても、ほとんどすべての効率劣化係数が表の鋼の R/RM 係数よりも大幅に小さいことがわかります。 2. Rh アンテナが大きいほど、スチールアンテナの損失は少なくなります (たとえば、周波数 2 MHz で 5,13x28 m のダイポールを参照)。 R∑が低く、銅の初期効率が低い電気的に小さなアンテナは、銅の鋼への置き換えの影響を最も受けやすくなります。

一部のワイヤーアンテナシミュレーションプログラム (Nec2d、ASAP など) は、材料の透磁率の入力を提供しません。どうやら、式 (2) を使用してスチール製アンテナをモデル化する場合、μr = 1 を仮定し、実際の損失を考慮して等価導電率 δeq (または抵抗 req) を導入できます。 3,5 ... 28 MHz の範囲の鋼の場合、粗い表面および汚染された表面の場合は δeq = 0,19 ... 0.094 MSm / m (req = 5,3 ... 10,6 Ohm mm2 / m)、または δeq を入力できます。 = 0,22 ... 0,17 MSm / m (req = 4,5.-5,9 Ohm mm2 / m) でクリーンでスムーズ。

MM AN A プログラムでは、銅や鋼などの異なる材料からの異なるワイヤをモデル化することはできません。この場合のアンテナの効率を評価するには、実際には鋼線である銅線の各セグメントに集中損失を手動で入力することができます。集中損失は、線形であることを考慮して、セグメントの長さに基づいて計算されます。高周波における鋼線の抵抗は銅の 16 ～ 25 倍です。たとえば、周波数 10 MHz、長さ 20 m、直径 2 mm の銅線の 3,5 個の同一セグメントのそれぞれに、16-0,08-20/10 = 2,56 オームの有効負荷を入力できます。ここで、銅線の線形抵抗は 0,08 Ohm/m で、式 (2) によって決定され、図のグラフからわかります。

場合によっては、この状況での効率を評価するために、ワイヤモデルの銅線の直径を縮小することができます (これも 16 ～ 25 分の XNUMX)。ただし、これにより線形誘導抵抗が大幅に増加し、その結果、構造内の電流分布とそれに接続されているすべてのものが劇的に変化する可能性があることに注意する必要があります。

銅線を鋼線に置き換えた場合のアンテナ効率の変化は、波の寸法と銅アンテナの初期効率に依存します。銅製の半波長アンテナの効率が 0,98 ～ 0,99 である場合、同じサイズの鋼製アンテナの効率は 0,7 ～ 0,85 であり、これはそれほど悪くありません。ただし、電気的に小さな銅製アンテナの効率が数パーセント程度である場合、銅を鋼に置き換えると、アンテナの劣化が 15 ～ 25 倍になる可能性があります。

著者は、この問題を提起し、研究を支援してくれた F. Golovin (RZ3TC) と、貴重なコメントをくれた I. Karetnikova に感謝します。

文学

Belorussov N.I.、Saakyan A.E.、Yakovleve A.I. 電気ケーブル、ワイヤー、コード。ディレクトリ。 - M.: エネルギー、1979 年
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ゴンチャレンコ IV アンテナのコンピューターシミュレーション。 MMANA プログラムのすべて。 - M.: IP ラジオソフト。雑誌「ラジオ」、2002年。

著者：A。グレチキン（UA3TZ）、ニジニノヴゴロド

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