НА ГЛАВНУЮ - - адрес этой страницы -- http://ra6foo.qrz.ru/material.html -- версия 17 05 2009 -- НА ГЛАВНУЮ

Выбор материала для элементов УКВ антенн

Исключим непригодные для антенн, это ферромагнетики. Среди них нет металлов и сплавов с малым сопротивлением, и главное, скин-слой, по которому течет ВЧ ток, у них тоньше в корень из магнитной проницаемости (а она обычно десятки и сотни единиц), во столько же раз и выше их сопротивление, чем у немагнитных металлов с тем же сопротивлением постоянному току. Немагнитные металлы, пара и диамагнетики, имеют магнитную проницаемость 1 +- 0,001, которую можно принять за единицу. Тогда пригодность металла определяют два других фактора, это удельное сопротивление постоянному току ρ и состояние поверхности.

На ВЧ ток течет не во всем сечении провода, а в тонком наружном слое, скин-слое. Его толщина пропорциональна V¯ρ и обратно пропорциональна V¯f. Для пара и диамагнетиков его толщину в микронах можно расчитать по формуле: 50V¯ρ / V¯f мгц, где ρ равно значению Ом * мм² / м, умноженному на 100, т.е. значению, введеному в меню материалов MMANA.

ЧЕМ ЛУЧШЕ МАТЕРИАЛ (МЕНЬШЕ ЕГО УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ρ), ТЕМ ТОНЬШЕ СКИН-СЛОЙ
ЧЕМ ВЫШЕ ЧАСТОТА, ТЕМ ТОНЬШЕ СКИН-СЛОЙ
Зависимость пропорциональна корню квадратному этих величин. Например:
Материал с ρ втрое больше, чем у меди, будет иметь на УКВ скин слой, сопротивление току ВЧ и потери в 1,7 раза больше
На частоте втрое выше любой материал будет иметь толщину скин-слоя в 1,7 раза тоньше и потери в 1,7 раза больше.

ТАБЛИЦА 1. УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ постоянному току в ом на мм2/м x 100
(через дробь - магнитная проницаемость железа и стали)

серебро 1,6 цинк5.9припой ПОС 6014железо10 / 200
медь1,75латунь3...8свинец19мягкая сталь20 / 800
алюминий2,8бронза 10титан11,5сталь легиров.60...110 / 1...120
алюминий сплавы3.0...5.9хром13сплавы титана50...170 нихром105


ТАБЛИЦА 2. УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ пост. току в ом на мм2/м x 100
буква в конце: М - после отжига, пластичный Т, Т1 - после закалки и старения Н - также с нагартовкой

Алюминиймарка сплава А8М-АД0МАМцМАМцН2АМг2М,Н,ТАМг5МАД31М,Н,Т,Т1Д16МД16Н,Т,Т1В95Н,Т,Т1
2,8уд. сопротивление 3,03,54,385.35,83,23,95,85.8


СКИН-СЛОЙ
Частота (MHz)
Удельное сопротивление
ом*мм2/m x 100
Магнитная проницаемость
Толщина (микрон)
ИНДУКТИВНОСТЬ ПРЯМОГО ПРОВОДА

диаметр провода

длина провода

магнитная проницаемость

    наноГенри

nH

ЕМКОСТЬ
площадь пластин mm2

зазор

mm

Er диэлектрика

    пФ

движок калькулятора скин-слоя взят с сайта vk1od , калькуляторов индуктивности и емкости с сайта Daycounter
Cледите, чтобы разделителем целой и дробной части была точка, а не запятая.
Изменить можно через Панель управления - Язык и рег. стандарты - Настройка.
Калькуляторы должны работать в автономном режиме (на сохраненной странице без подключения к интернету)
В противном случае это означает, что в браузере выключены активные сценарии Java.


ЁМКОСТЬ УЕДИНЕННОГО ПРОВОДА
Калькулятор для её расчета не найден, а расчет по формуле сложен и связан с подбором значений по таблице.
Только для приблизительной оценки можно считать, что емкость 1 метра уединенного провода диаметром 4 мм будет около 10 пФ
Расчет омического сопротивления круглого провода току ВЧ
4 апреля 2017 г.
Расчет по формулам заменен калькулятором фирмы CHEMANDY ELECTRONICS
ОТКРЫТЬ КАЛЬКУЛЯТОР
СКИН-СЛОЙ МЕТАЛЛОВ - РАСЧЕТЫ, ВЫВОДЫ

Взаимодействие тока ВЧ и образуемого им магнитного поля вызывает скин-эффект (skin - кожа), в результате которого ток вытесняется к поверхности металла и течет в тонком поверхностном слое, скин-слое. Ток неравномерен по толщине слоя, он быстро падает по экспоненте (см. график). За толщину скин-слоя принято брать расстояние от поверхности металла, на котором величина тока 37% от величины на поверхности. Если проинтегрировать график зависимости ВЧ тока от расстояния от поверхности, мы увидим, что он будет равен постоянному току, текущему в пленке металла с толщиной, равной скин-слою. Это удобно для расчетов тем, что сопротивление скин-слоя такой толщины равно его сопротивлению постоянному току. Для расчета толщины скин-слоя воспользуемся формулой 50V¯ρ / V¯f МГц, где ρ равно значению Ом х мм² / м, умноженному на 100, т.е. значению, вводимому в меню материалов MMANA. Советую также прочитать Заметки о скин-эффекте Кевина Шмидта W9CF


ТАБЛИЦА 2. ТОЛЩИНА СКИН-СЛОЯ МЕТАЛЛОВ В МИКРОНАХ (1/1000 мм) НА ЧАСТОТАХ Р. ЛЮБИТ. ДИАПАЗОНОВ
металл1,8 МГц3,5 МГц7,0 МГц14 МГц28 МГц144 МГц435 МГц1296 МГц
серебро46332317125,12,91.7
медь 493524,517,412,35,43,11.8
алюминий6245312216742.3
сплавы алюм.70...9250...6635...4725...3318...237,8...104,5...5.92,4...4
латунь65...10646...7633..5423...3816...277...124...72.8...4.3
цинк916546322310,15,93,5
олово1299464463214,68,64,9
хром13498684934158,85,2
припой ПОС60140103735337169,45,5
свинец16312282604118106,2
сплавы титана260...480200...380140...240100...19070...12032...6019...3511...20

КАК ВВЕСТИ ЛЮБОЙ МАТЕРИАЛ В РАСЧЕТЫ MMANA

Для расчета антенн из металлов, которых нет в меню MMANA, надо выбрать на закладке "ВЫЧИСЛЕНИЯ" в меню "материал"- "провод пользователя", дважды щелкнуть по нему мышкой и в открывшемся окне ввести число "ρ х100" из таблицы 1 и магнитную проницаемость, которая для пара и диа магнетиков = 1. (магнитную проницаемость ферромагнетиков, в частности стали, надо вводить согласно справочным данным на свойства металла и марку сплава) Например для цинка надо ввести 5.9 и 1.

НЕКОТОРЫЕ ВЫВОДЫ

Из этого следует, что потери в элементах одного диаметра на 1296 мгц МЕНЬШЕ в 3 раза, чем на 145 мгц. Да, на 1296 мгц скин слой в 3 раза тоньше и его сопротивление в три раза больше, но элемент в 9 раз короче. В то же время если уменьшить все размеры антенны 145 мгц (и диаметры тоже) в 9 раз, т.е. смасштабировать на 1296 мгц, укорочение в 9 раз будет уравнено 9 кратным уменьшением окружности скин-слоя прутков, а потери станут БОЛЬШЕ в 3 раза за счет того, что скин слой в 3 раза тоньше.

Если принять потери в антенне из меди за единицу, то потери в той же антенне из других материалов будут больше: алюминий- в 1.25 раза, латунь и дюралюминий- в 1,4...2 раза, цинк- в 1.85, сплав титана- в 7...10 раз. В антеннах ВК потери в дб будут около: алюминий- 0.01..0.04дб, латунь и дюралюминий- 0.04..0.15 дб, цинк- 0.05..0.16дб, сплав титана- 0.2..0.7дб. Нижний предел потерь в дб относится к "мягким" относительно широкополосным антеннам, верхний- к "жестким" антеннам с КСВ на краю диапазона - 146 мгц 2.0 и более и усилением, близким к предельному для их длины.

О сплавах следует сказать особо. Примеры:
1 • выражение "электротехническая медь" означает содержание примесей не более долей процента.
2 • в сплаве манганин меди 85%, а его сопротивление в 30 раз выше, чем у чистой меди.
3 • нихром сплав никеля 70% + хрома 15% + железа 15% имеет сопротивление в 10 раз выше, чем у любого его компонента.
У других сплавов та же закономерность. Следовательно расчитывать, к примеру, что присутствие слова "алюминий" в названии сплава обеспечит ему малое сопротивление, никак нельзя. В каждом конкретном случае для расчета антенны с элементами из сплава надо знать его марку и удельное сопротивление и вводить его в меню "материал пользователя"

БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОВОДА

в первую очередь надо оценивать исходя из толщины покрытия и толщины скин-слоя на рабочей частоте. У сталемедного провода БСМ1 и БСМ2 1,2 мм толщина меди 40 и 70 микрон, на диапазоне 3,5 МГц она толще скин-слоя, на частотах выше - тем более, и элемент из сталемеди равнценен медному. Оцинкованная сталь диам. 4...5 мм имеет толщину покрытия 15 микрон, т.е. оно в 1.5 раза толще скин-слоя на диапазоне 145 МГц. Та же сталь диаметром 2...3 мм имеет толщину покрытия 9...13 микрон, т. е. в 1.5...2 раза толще скин-слоя на диапазоне 435 МГц.

О влиянии стальной сердцевины
Экранирование магнитного поля в экране, имеющем толщину скин-слоя -около 9 дб. Удвоение толщины удваивает экранирование, выраженное в дб (18, 36, 72 дб и т.д.). Выше частота- тоньше скин-слой, необходимый для полного (30 дб и более) экранирования. Поэтому привычное: "что плохо на КВ, то еще хуже на УКВ" для биметаллических проводов имеет обратный смысл.
Разговоры о том, что сталемедный провод в антенне- это то-же, что стальная отвертка в катушке П контура, беспочвенны. Во первых стальная основа полностью экранирована (в 1000 и более раз) от магнитного поля антенны скин-слоем, а незащищеный торец стальной основы как отверстие для проникновения поля слишком мал. Во вторых само поле антенны в сотни раз меньше, чем в катушке П контура. В сталемедном биметалле 4 мм толщина медного слоя 0,14 мм, а экранирование стальной основы от 20 дб (100 раз по мощности) на 1,5 мгц и до... (много) на 28 мгц. Поэтому для токов ВЧ всех любительских диапазонов он исключительно медный. На УКВ диапазонах - тем более. То же относится и к сталеалюминиевому проводу.

О расчете потерь провода с покрытием существенно тоньше скин-слоя
Например у оцинкованной стали на диапазоне 1.8 МГц, где толщина покрытия в 8...10 раз тоньше скин-слоя.
Глядя на график спада плотности тока по мере удаления от поверхности, логично было бы предположить, что по слою цинка течет лишь около 10% тока, остальные 90% будут течь по стали и исходя из этого получить в расчете полуволнового диполя из провода 3 мм на 1.8 МГц потери около 2,5 дб. Но это не соответствует истине из за того, что на границе двух сред: цинк - сталь происходят те же явления, что и в оптике - преломление и отражение. Фактически в стали будет течь меньшая доля тока и соответственно потери будут меньше. Точный расчет сложен и на практике в нем нет особой необходимости. В общем случае можно считать, что в зависимости от отношения толщины покрытия к скин-слою потери будут на 20...50% меньше, чем расчитанные выше.

Толщина скин-слоя на 145 мгц например у меди всего 5 микрон,
поэтому в приведенную выше систему вмешивается такой фактор, как

СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

Пример: между Железноводском и Пятигорском по прямой 8 км. Если сквозь скалистые горы высотой 1 км. А если по прямой, но по поверхности, то колеса накрутят 16 км. Возьмите провод медный биметалл, провисевший лет 30. Под черным глянцевым слоем окисла, сколотым при рихтовке, открывается поверхность меди, напоминающая нагромождение льда при ледяном заторе на реке, высотой 0,1 и более мм. Если еще учесть, что скин-слой вытесняется из узких щелей вихревыми токами, то путь тока удлиняется в несколько раз, соответственно и растет сопротивление проводника. Медь с такой поверхностью эквивалентна металлу с гладкой поверхностью и удельным сопротивлением в 5...10 раз больше, чем у меди. На обычной поверхности металлов путь тока лишь на 5...20 % больше, чем на идеально ровной. Следует также отличать узоры светоотражения на поверхности металлов типа цинка от неровностей.
У механически обработанных поверхностей большую роль играет направление борозд. Ошкуренные вдоль мелкой шкуркой проводники, с одной стороны, увеличивают периметр, но при этом ток распределяется неравномерно, течет преимущественно по гребням уменьшается в бороздах. Это несколько ухудшает качество провода относительно полированого. Полированая поверхность через некоторое время под воздействием атмосферных условий возвращается к первоначальному состоянию за счет более интенсивной коррозии кристаллов, разрушенных полировкой. У полированной меди через 1 год под влиянием атмосферных условий сопротивление на частоте 1296 мгц увеличивается вдвое. Лаков, способных тонким слоем и надолго защитить поверхность от этого, нет. У многих металлов сама пленка окисла является прочным защитным слоем от дальнейшей коррозии, а толщина ее мала и в отличие от искусственных покрытий не оказывает влияние на электрическую длину проводника. Окислы металлов, как правило, имеют малый тангенс потерь и сами по себе не вносят потерь в проводники. Потери могут увеличиваться только из за неравномерного разрушения поверхности металла.
Иногда, как контраргумент оцинкованному проводу, говорят "даже медь покрывают серебром там, где нужна хорошая проводимость". Там, где нужна хорошая проводимость, покрывают и хромом, хотя его уд. сопротивление в 2 раза хуже цинка, потому что в отличие от глубокой рельефной коррозии меди, он сохраняет свою поверхность и проводимость как и цинк и сохраняет контакт по всей длине крышки экранированного отсека аппаратуры. Cеребрят там, где нужна долговременная стабильная добротность - в резонаторах, ибо медь "поплывет" не успев дойти до эксплуатации из за рельефной коррозии.

ПОДВЕДЕМ ИТОГИ:

Все металлы и сплавы, которые можно применять в качестве внешнего слоя элементов УКВ антенн, можно разделить на две группы. 1- серебро, медь, алюминий. 2- латунь, цинк, дюралюминий.
Внутри групп металлы практически равноценны по потерям. Антенны из металлов и сплавов 2 группы уступят по усилению антеннам их металлов 1 группы от 0.04 до 0.16 дб, или 0.01...0.02 балла по S-метру. Т шума (то же T loss) их будет больше лишь на 2...3 градуса. На другие параметры антенн свойства материалов 1 или 2 группы практически не влияют.

- Медный ошкуренный биметалл является лучшим материалом для УКВ антенн, но ее поверхность быстро теряет свои качества из за межкристалльной корозии в атмосферной среде и нароста толстого слоя окисла.
- Алюминиевый биметалл и трубки из его сплавов лучшие для пассивных элементов не требующих пайки.
- Латунь по механическим свойствам, состоянию и стабильности поверхности, надежности пайки, можно использовать для любых элементов антенны, по потерям она немного уступает алюминиевым сплавам.
- Оцинкованную сталь также можно использовать для любых элементов, на частотах 144 МГц, и тем более выше, ее потери незначительно больше, чем у латуни и дюралюминия. Ее положительными качествами являются надежность пайки и химическая полировка поверхности осадками в атмосферной среде, со временем улучшающая ее качество.

Особые меры по снижению потерь в скин-слое применением толстых элементов из хорошего проводника, делать серебрение и полировку имеет смысл применять только у антенн с низким сопротивлением излучения, а значит узкополосных с относительно большими токами на элементах, и не на всех элементах, а на трех- четырех с наибольшими токами.

Возможность или необходимость применения того или иного материала для элементов антенн легко узнать в MMANA. Возьмем к примеру из библиотеки MMANA файл 15EL23CM.MAA и расчитаем усиление антенны из разных материалов: без потерь- 13.56 дб, из меди- 13.49, алюминия- 13.48, дюралюминия- 13.44, цинка-13.43 дб. На закладке "ВИД" по величине токов в элементах можно определить, в каких из них потери максимальны и выполнить их из меди, остальные из латуни, дюралюминия или цинка и получить около 13.47 дб.
А антенна DDRR.maa при переходе с материала без потерь на дюралюминий теряет около 8 дб усиления. Такая разница в результатах замен: 0,12 дб и 8 дб обьясняется тем, что сопротивление излучения R изл. (не путать с R входным) у полноразмерного ВК десятки ом, а у DDRR доли ома, токи в проводниках, соответственно и потери в ней в десятки раз больше при том же или меньшем омическом сопротивлении элементов. Потери в 8 дб означают, что ПРИВЕДЕННОЕ К ВХОДУ АНТЕННЫ R потерь составляет около 60% от входного. Вместе с согласованием от долей ома до десятков ом мы повысили и приведенное к входу R потерь.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В антенне ВК элементы свободно подвешены за центр и на них действуют силы, которые могут привести к остаточной деформации в виде изгиба. В обычных условиях это собственный вес элемента, сила инерции и ветровая нагрузка, в экстремальных еще и вес птиц или вес ледяной рубашки после ее облома. Оценку устойчивости к деформации элементов из разного металла профиля и сечения легче получить натурными испытаниями вместо расчетов. Для этого пруток или трубка несколько длинее 0,5 м фиксировались в горизонтальном положении за один конец, а на другой конец подвешивался груз. Стойкость к деформации оценивалась по весу груза, после снятия которого остаточная деформация- изгиб в виде отклонения конца от первоначального горизонтального состояния не превышает 1 см. Такая деформация вполне допустима и не приводит в антенне ВК к заметному ухудшению параметров. Второй немаловажный показатель-гибкость элемента- величина отклонения конца элемента под действием груза, при котором наступает такая деформация. Для сравнения и облегчения выбора материала приведены усредненные данные- насколько увеличатся потери в антеннах ВК (уменьшится усиление) относительно антенн с элементами из электротехнической меди. В таблице пока присутствует то, что было в наличии на 12 марта.

ТАБЛИЦА 3
металлсечениедиаметрнагрузкапрогибдоп. потери
электротехн. медьпруток5 мм400 гр4 см0 дб
электротехн. алюминийпруток5,7 мм600 гр.7 см0,05 дб
сталеалюминий биметаллпруток4,5 мм400 гр10 см0,06 дб
сталемедь биметаллпруток4 мм900 гр18 см0,01 дб
оцинкованная стальпруток4 мм1000 гр15 см0,1 дб
латунь жесткая ЛС 59пруток4 мм1040 гр24 см0,11 дб

Как видно из таблицы, например элемент из латуни не получит деформации при попытке любой птицы сесть на него, его гибкость не позволит ей удержаться на наклонном участке конца элемента, а при посадке ближе к траверсе ее вес будет недостаточен для остаточной деформации- изгиба.

ТАБЛИЦА 4
Допустимые (да), недопустимые (нет), и нейтральные (0) пары и контакты между ними при эксплуатации на открытом воздухе.
металл или покрытиеМедь ЛатуньСтальАлюминий и сплавы Сталь нержавеющаяОлово и припои ПОСЦинк
Медь Латуньданетнетдаданет
Стальнетданетнетнетнет
Алюминий и сплавынетнетда00да
Сталь нержавеющаяданет0даданет
Олово и припои ПОСданет0дада0
Цинкнетнетданет0да
июль 2007 г - февраль 2008 г - январь 2010г - март 2010г - октябрь 2012г март 2013г
литература- Г.Отт Методы подавления шумов и помех в электронных системах. "Мир" 1979 г

НА ГЛАВНУЮ