НА ГЛАВНУЮ - - адрес этой страницы -- http://ra6foo.qrz.ru/sm5bsz-loss.html -- НА ГЛАВНУЮ

Это свободный перевод статей Лейфа Асбринка SM 5 BSZ Losses in yagi antenna elements at 413 MHz и Losses in yagi antenna elements at 144 MHz (May 2 2006), обьединенных в одну страницу. Статьи размещены на сайте автора SM5BSZ Ссылки можно делать только на оригинал, перевод статьи предназначен только для помощи в чтении вами. Перевод RA6FOO декабрь 2014 г.


ПОТЕРИ В ЭЛЕМЕНТАХ АНТЕНН ВК

При моделировании антенны, в качестве одного из входных параметров в программу моделирования обычно используется удельное сопротивление материала элемента. Это вполне оправдано для новых (с некоррозированной поверхностью) элементов, которые крепятся на непроводящий бум, но это не является само собой разумеющимся, что реальная антенна через несколько лет эксплуатации будет иметь такие же небольшие потери, как в расчете. Кроме того есть и еще несколько причин, которые могут увеличить потери элементов, вычисленные с помощью программ моделирования.

  • Снижение поверхностной проводимости из-за коррозии.
  • Омические потери из-за вихревых токов в металлическом буме или других проводящих материалах вблизи элемента.
  • Магнитные потери в шайбах, винтах и других магнитных материалах вблизи элемента.
  • Диэлектрические потери в поверхностных покрытиях для предотвращения коррозии.
  • Диэлектрические потери в пластиковых заглушках на концах элемента.

ПОТЕРИ В ЭЛЕМЕНТАХ АНТЕНН ВК на 413 МГц

Потери в элементах антенн, используемых для связи отражением от Луны особенно важны на частотах, на которых температура неба очень мала. Низкая температура шума системы может быть достигнута только при малых потерях в антенне, потому что потери в элементах кроме прямых омических потерь сигнала увеличивают температуру шума системы, так как она зависит от температуры окружающей среды, около 20°С или 290° К
Самая низкая температура неба на частоте 500 МГц составляет около 15° K и современные малошумящие усилители также могут иметь шумовую температуру 15° K. Антенна не является совершенной, поэтому некоторый шум будет поступать через боковые лепестки. Это может добавить еще 15° К. Омические потери могут быть 5 %, что может добавить еще 15° К ( 5 % от 290° K ). Если омические потери увеличиваются на 25 % из-за старения или какого-то другого эффекта, потери антенны станут 7,5 %. Потеря усиления антенны будет только 0,1 дБ, но их вклад в шум системы увеличится с 15° К до 19° К, В результате они увеличат температуру шума с 60° K до 64° K , а уровень шума при этом увеличится на 0,3 дБ.
В результате прямых потерь усиления 0,1 дБ и увеличения шума на 0,3 дБ, отношение сигнал/шум ухудшится на 0,4 дБ.

Антенны ВК, которые оптимизированы по максимальному усилению, могут иметь 10% омических потерь и будут более чувствительными к увеличению потерь в элементах. При 25% увеличении омических потерь сигнал потеряет 0,2 дБ, а шумовая температура увеличится с 75° K до 82.5° K, что вызовет увеличение шума на 0,4 дБ и общую потерю 0,6 дБ в отношении сигнал/шум.

Для того, чтобы получить представление о величине дополнительных потерь элементов, которые могут быть представлены явлениями, перечисленными выше, мы измерили значение добротности стержней внутри камеры размерами 0.7 м Х 0.3 м Х 0,3 м. Элементы висели на тонких полиэтиленовых полосках в центре камеры. Концы элементов были слабо связаны емкостной связью по ВЧ с небольшими проводами на коаксиальных соединителях в стенках камеры. Таким образом была установлена связь минус 40 дБ или более для того, чтобы иметь незначительное влияние на добротность нагрузки источника сигнала и детектора. (Сетевой анализатор был использован для обоих.)

Потери, связанные с коррозией

Одна серия измерений была сделана на трех элементах с коррозией и одном новом. Фото 2 показывает, как выглядят элементы.



Четыре элемента, используемые для измерения воздействия коррозии. Первый элемент из сплава 6063-T6 с заполненным эпоксидной смолой держателем из полиамида и немагнитным нержавеющим винтом. Второй элемент использовался 20 лет недалеко от Стокгольма. Третий элемент из сложенного листового металла,изготовлен около 50 лет назад. Четвертый элемент использовался в дымоходе газовой горелки в течение 10 лет, до того 5 дет - масляной горелки. Элементу 38 лет, но был в закрытом помещении последние 25 лет. Сплав, известный как SS 4007 или 1050A.

элемент длина мм уд. сопрот. диаметр мм добротность
первый 310,8 3,25Е-8 10 8250
второй 307,1 3,41Е-8 10 7900
третий 307,4 3,74Е-8 9,6 5576
четвертый 310,2 3,17Е-8 8 5926
Удельное сопротивление сплавов было получено измерением падения напряжения на мерном участке элементов при пропускании через элемент постоянного тока 20 А. Результаты измерения уд. сопротивления и добротности сведены в таблицу.
Непосредственно из значений добротности мы видим, что третий и четвертый элементы имеют гораздо более высокие потери, чем первый, новый элемент.

Потери из-за защитных покрытий

покрытие\диаметр 10 мм 6 мм 4 мм
нет 8250 5480 4070
анодир. 15 мк 7825 5315 3908
анодир. 30 мк 7663 5145 3748
окраска 100 мк 6272 3846 3026
Потерями из-за коррозии можно пренебрегать в хороших местах. В промышленных районах или вблизи соленой воды коррозия может быть намного быстрее. Анодирование является очевидным выбором для защиты алюминия, поэтому мы измерили добротность нескольких анодированного элементов с толщиной оксида 15 мк и 30 мк. Мы также проверили добротность окрашенных элементов (100 микрон покрытие, полиэстер Interpon 610). Анодирование 15 микрон имеет небольшое, но хорошо видимое влияние на потери элементов. Эффект похож на пребывание незащищенного алюминия в течение 20 лет в хороших атмосферных условиях. Детальную оценку потерь из-за поверхностных покрытий смотрите ниже.

Потери из-за монтажных материалов и бума

Элементы могут быть установлены на буме через изоляторы или в контакете с бумом. Элементы в контакте с бумом должны иметь в очень хороший контакт из-за очень высоких токов, когда даже малые сопротивления контактов имеют большие потери. Для металлического контакта предпочтительнее сварка.
Элементы, которые монтируются через изоляторы, могут быть зафиксированы Starlock шайбами, как показано на фото.
При монтаже сквозь бум с изоляторами есть вихревые токи в буме, которые ведут к снижению добротности. Starlock шайбы сделаны из магнитной нержавеющей стали и к потерям в буме добавляют магнитные потери в шайбах.
Если элементы установлены над бумом в контакте с ним или с небольшим зазором от него, то могут быть и потери в диэлектрике. Таблица 3 показывает значения добротности для элементов, установленных на коротких трубках бума из квадратной трубы 25x25 мм.

способ монтажа/диаметр 10 мм 6 мм 4 мм
без бума 8250 5480 4070
через бум, изолятор 5700 4525 3295
через бум, Starlock шайбы 3250 2875 2120
9 мм над бумом, полиамид 6650 - - - - - -
Таблица 3 Эначения добртности для различных способов монтажа.
Элементы новые, алюминиевые, без покрытия, на квадратном буме 25х25 мм. Изолятор "полиамид" такой, как показано на фото элементов выше. Монтаж с Starlock шайбами приводит к большим потерям на 413 МГц. Такое крепление также не совместимо с анодированными элементами. Монтаж элементов на некотором расстоянии от бума, даже на иэоляторе с плохими ВЧ свойствами, намного лучше по потерям и совместим с анодированными элементами. Общие потери из-за поверхностного покрытия и способа монтажа могут быть выражены в виде эквивалентного удельного сопротивления материала элементов, который будет заложен в программу для расчета.

Преобразование значений добротности в эквивалентное удельное сопротивление

Потери элемента пропорциональны корню квадратному из удельного сопротивления и обратно пропорциональны диаметру. Нельзя точно оценить, как потери камеры влияют на наблюдаемые значения добротности и поэтому мы измерили значение добротности контрольных элементов с известными сопротивлениями из меди, алюминия и латуни с несколькими разными диаметрами внутри камеры 0.7 х 0.3 х 0,3 м. Некоторые из этих элементов также были измерены в меньшей камере, 0,5 х 0,3 х 0,3 м, в которой полученые значения добротности несколько ниже. Эти измерения под № 0...20 в таблице 4.
Измерения производятся на одной частоте, поэтому длины элементов в зависимости от диаметра немного отличаются и не самоочевидно, каким образом эти небольшие различия в длине влияют на потери. Потери самой камеры будут влиять на добротность больше для элемента с высокой добротностью, чем с низкой. Связь между камерой и элементом зависит от диаметра элемента таким образом, что мы не знаем, как вычислить эту зависимость, Без какого либо хорошего теоретического обоснования мы приняли простую модель для добротности элемента в одной из двух коробок. Модели и наши измеренные данные могут быть получены в программе qvbox.c ( 17452 байт). Программа дает нам значения добротности, которые достаточно хорошо соответствуют измеренным, и показывает потери элемента как его эффективное сопротивление. Имея среди измеренных образцов контрольные медные, алюминиевые и латунные элементы с известными сопротивлениями, модель дает нам некоторую уверенность в надежности результатов, несмотря на отсутствие теории для модели.
Таблица 4 показывает распечатку из qvbox.c . У контрольных элементов от 0 до 20 адаптированы ошибки RMS Q-значением 96 ( QTbox - Qexp ) У других элементов адаптированы без изменения модели удельные сопротивления так, чтобы модель имела правильные значения добротности. Процедура не совсем верна, так как деградация добротности из-за влияния бума не может быть представлена одной поправкой в удельное сопротивление для всех диаметров. Эффект бума имеет немного больше воздействие на толстые элементы, чем указано в сопротивлениях, которые выходят из модели.

Таблица 4. Q-значения добротности внутри камеры и связанные Q самого элемента. Q внутри коробки (QTbox) измеренные.
(прим. переводчика: сведенные в ней данные измерений и расчетов представляют интерес лишь как исходные данные, необходимые для получения значений эквивалентных удельных сопротивлений для практических расчетов, которые будут приведены ниже в таблице 5 и выводов из них)
материал сплав диаметр длина QT free QT box поправка Q free Q exp
0 медь пруток 5011 3,98 320,73 6723 5589 1,203 6884 5723
1 медь пруток 5011 5,95 315,28 10050 7627 1,318 10202 7743
2 медь пруток 5011 7,97 310,61 13462 9379 1,435 13414 9345
3 медь пруток 5011 9,94 307,53 16790 10830 1,550 16743 10800
4 алюминий пруток 6082 3,88 320,62 4738 3981 1,1190 4856 4081
5 алюминий пруток 6082 5,95 315,24 7250 5582 1,299 7144 5500
6 алюминий трубка 6063 8,14 309,92 10242 7207 1,421 10157 7147
7 алюминий трубка 6063 10,07 307,16 12576 7312 1,525 12689 8320
8 алюминий трубка 6063 15,93 297,43 20049 10897 1,840 20608 11200
9 латунь - - - 5,04 317,43 4136 3464 1,194 4223 3537
10 латунь - - - 14,95 299,71 12,254 7715 1,588 12013 7563
11 алюминий трубка 6063 10,14 307,19 12758 8346 1,529 12521 8191
12 алюминий трубка 6063 9,98 307,16 12557 8261 1,520 12388 8150
13 алюминий трубка 6063 10,07 307,13 12664 8306 1,525 12646 8295
14 алюминий пруток 6082 3,90 320,70 4750 3990 1,191 4878 4097
15 алюминий пруток 6082 5,95 315,25 7256 5585 1,299 7106 5470
16 медь пруток 5011 10,00 307,59 16891 10871 1,554 16749 10780
17 алюминий пруток 6082 4,00 320,70 4878 4078 1,196 4820 4030
18 алюминий пруток 6082 6,00 315,25 7317 5621 1,302 7140 5485
19 алюминий трубка 6063 10,00 307,19 12582 8272 1,521 12645 8313
20 алюминий трубка 6063 10,00 307,19 12582 8272 1,521 12701 8350
21 алюминий анодир. 15 мк - - - 10,11 307,19 11825 7845 1,507 11794 7825
22 алюминий анодир. 15 мк - - - 3,88 320,67 4540 3828 1,186 4635 3908
23 алюминий анодир. 15 мк - - - 5,89 315,15 6898 5347 1,290 6857 5315
24 алюминий анодир. 30 мк - - - 10,14 307,08 11462 7647 1,499 11486 7653
25 алюминий анодир. 30 мк - - - 3,88 320,48 4392 3712 1,183 4434 3748
26 алюминий анодир. 30 мк - - - 5,91 315,14 6675 5194 1,285 6612 5145
27 алюминий окраш. 100мк - - - 10,07 306,06 8601 6112 1,407 8826 6272
28 алюминий окраш. 100мк - - - 3,91 317,78 3338 2894 1,153 3490 3026
29 алюминий окраш. 100 мк - - - 6,04 312,72 5161 4157 1,241 4774 3846
30 алюм. (коррозия "второй") - - - 9,86 307,10 11868 7900 1,502 11868 7900
31 алюм. (коррозия "третий") - - - 9,60 307,40 7614 5576 1,366 7614 5576
32 алюм. (коррозия "четвертый") - - - 8,03 310,20 8087 5926 1,365 8087 5926
33 через бум, изол. втулка - - - 4,00 325,56 3456 2983 1,159 3818 3295
34 через бум, изол. втулка - - - 6,00 320,85 5184 4175 1,242 5619 4525
35 через бум, изол. втулка - - - 10,00 313,46 8641 6137 1,408 8025 5700
36 через бум, Starlock шайбы - - - 4,00 326,27 1863 1703 1,094 2319 2120
37 через бум, Starlock шайбы - - - 6,00 320,85 2794 2447 1,142 3282 2875
38 через бум, Starlock шайбы - - - 10,00 313,58 4657 3763 1.238 4022 3250
39 над бумом на изоляторе - - - 6,00 319,77 5668 4505 1,258 5545 4407
40 над бумом на изоляторе - - - 10,00 311,04 9447 6577 1,436 9553 6651
материал сплав диаметр длина QT free QT box поправка Q free Q exp
Результат процедуры подгонки в том, что например элемент диаметром 15 мм, имеющий высокую добротность, имеет измеренное значение добротности внутри камеры в 1,84 раза ниже, чем собмственная добротность, из-за потерь камеры. Обычный элемент, такой как алюминиевый пруток 6 мм, имеет измеренное в камере значение добротности в 1,299 ниже, а элемент потерями из латунного прутка 5 мм имеет измеренное значение добротности лишь в 1,194 ниже собственного. Эти факторы также немного зависит и от диаметра.

Таблица 5. Потери элементов из алюминиевых сплавов, выраженные в удельных сопротивлениях.
покрытие, монтаж, примечания уд. сопротивление
материала
эквивалентное,
уд. сопротивление
анодированный 15 мк3,153,6
анодированный 30 мк3,153,8
окрашенный 100 мк3,36,7
образец "второй" легкая коррозия3.43,4
образец "третий" тяжелая коррозия3.747,8
образец "четвертый" коррозия (сплав 1050A)3.174,8
через бум втулка3,36,6
через бум Starlock шайбы3,3522,6
над бумом изолятор из полиамида3,35,5
Примечание переводчика:
Колонка "удельное сопротивление материала" добавлена мной для сравнительной оценки степени ухудшения эквивалентного удельного сопротивления при таком покрытии и способе монтажа, чтобы в случае использования элементов из металла и сплава с другим удельным сопротивлением сделать аналогичную коррекцию его уд. сопротивления для ввода в программу. Некоторые значения исходного уд. сопротивления встречались выше по тексту, для некоторых пришлось сделать обратный пересчет из сказаного автором ниже о процентах потерь, остальным была дана приблизительная оценка путем анализа данных таблицы 4.


Анализ данных таблицы 5 показывает, что элемент над бумом увеличивает потери примерно на 30%, потери усиления порядка 0,1 дБ и ухудшение отношения сигнал/шум S/ N порядка 0,5 дБ. ( Потери пропорциональны квадратному корню из сопротивления) Монтаж через бум с Starlock шайбами увеличивает потери в 2,6 раза с соответствующей потерей усиления около 1 дБ. При 1 кВт мощности на 432 МГц, бум будет нагреваться такими шайбами на несколько сотен ватт. Антенна с элементами над бумом, даже если они непосредственно на буме в электрическом контакте, будет оставаться холодной. Анодирование толщиной 15 мк понижает внутреннюю добротность 10 мм элемента с 12 700 до 11794, что означает, что потери элемента увеличились на 7 %.

Исследования позволяют сделать следующие выводы для проектирования антенн в области от 400 до 500 МГц :
  • Используйте сопротивление до 6.3 Ом/см для алюминия в моделировании и оценке свойств антенн, когда используются анодированные 15 мк элементы с монтажом, как показано на рисунке 2, на изоляторе над бумом. Способ крепления ухудшает сопротивление от от 3,1 (сплав 6063) до 5,1. Анодирование дает дальнейшее увеличение потерь на коэффициент 1,16 ( 3,6 / 3,1), до 5,9. А если использованы элементы из сплава 6082, то он увеличит потери в 1,06 раза (3,3 / 3,1) , что приведет в результате к эффективному сопротивлению 6,3.
  • Бум из стеклопластиковой трубы может помочь сделать антенну с очень низкой шумовой температурой.
  • Не используйте Starlock шайбы.

ПОТЕРИ В ЭЛЕМЕНТАХ АНТЕНН ВК на 144 МГц

На 144 МГц потери элементов менее важны, чем на 430 и 1296 МГц, так как температура шумов в системе не намного ниже, чем температура окружающей среды, и, следовательно, потери элементов влияют только на усиление антенны, а не на шумовую температуру системы даже когда антенна направлена в холодную область неба.

Добротность элементов, измеренная в камере

Это исследование является менее точным, чем аналогичное исследование на 413 МГц , но результаты с достаточной точностью позволяют выбирать поверхностную обработку и методы монтажа элементов для антенн 144 МГц.

Образцы элементов из алюминиевых прутков и труб с различной обработкой поверхности или установленные на коротких отрезках бума из металлической трубы, или образцы из медного прутка помещались в камеру размерами 1.2m Х 0.9m Х 0,9 м. Камера с элементом антенны внутри образует коаксиальный резонатор, который слабо связан с емкостными датчиками сетевого анализатора. Связь была слабой и на пике резонанса была не более - 40 дБ.
Таблица 1 показывает значения добротности Q, для различных поверхностей. Данные позволяют сделать вывод о том, что защита поверхности от анодированием, это отличное решение, в то время как порошковое покрытие (100 микрон порошковое покрытие, полиэстер, Interpon 610) не очень хорошая идея для элементов антенны. Отношение Q-значений между медью и алюминием 1,204 при отношении квадратных корней из их сопротивлений 1,364 отражает тот факт, что элементы с более
высоким Q более подвержены потерям самой камеры.

1 таблица 2 таблица
металл: покрытие \ диаметр 10 мм6 мм4 мм
Алюминий голый642042753180
Алюминий анодир. 15 мк 634042603120
Алюминий анодир. 30 мк 623041503030
Алюминий окраска 100 мк 568035402600
медь голая 7730- - -- - -
способ монтажа / диаметр 10 мм 6 мм 4 мм
нет 6420 4275 3180
изолятор + винт, без бума 6230 4160 - - -
изолятор +винт, на буме 31 мм 6180 4020 - - -
через бум 31 мм изолятор + клей 5830 - - - - - -
через бум 31 мм изолятор + Starlock шайбы 4440 - - - - - -
через бум 20 мм изолятор + клей - - - - - - 3075
через бум 20 мм изолятор + Starlock шайбы - - - - - - 2520
только Starlock шайбы, без бума 4650 - - - 2625

Элементы, установленные в 9 мм над бумом диаметром 31 мм, на нейлоновом изоляторе как показано на фото, имеют добротность около 95% от добротности в свободном элементе. Потери камеры влияют на элементы с более высокой добротностью больше, чем на элементы с меньшей добротностью. С учетом этого разумно предположить, что этот метод монтажа увеличивает потери на 7%.

Изолированные элементы, установленные через отверстия в буие, имеют несколько большие потери, чем элементы над бумом, а Starlock щайбы имеют достаточно высокие потери, скорее всего потому, что они являются ферромагнитными. Для изолированных элементов, установленых через бум с Starlock шайбами добротность примерно 75% от добротности в свободном элементе. Учитывая потери в самой камере, это значение составит около 65%.

В результате можно сделать следующие выводы для проектирования антенн на 144 МГц:
  • При моделировании антенны, в которой будут установлены элеенты из анодированого чистого алюминия толщиной покрытия 15 микрон, исспользуйте в установках удельное сопротивление 3,8 вместо 2,8 (в MMANA двойной клик по "провод пользователя", и установите 3.8 и 1.0)
  • Если элементы из алюминия смонтированы через отверстия и закреплены Starlock шайбами, используйте удельное сопротивление 6.0 вместо 2.8

    НА ГЛАВНУЮ               HitMeter.ru - счетчик посетителей сайта, бесплатная статистика