Примечания  к  выбору  размеров и  материалов  проводов

L. B. Cebik, W4RNL

В  последних  дискуссиях  об  использовании  различных  материалов  при  постройке  антенн  возникли  интересные  вопросы  о  целесообразности  применения   в  различных  антеннах  таких  материалов  как  нержавеющая  сталь  и  фосфористая  бронза.

 

В  моих  ранних  моделях  я,  практически,  повсеместно  использовал  материалы  довольно  толстые  относительно  используемой  длины  волны.  Например,  для  УКВ-антенны  на  225  МГц,  я  использовал  элементы  диаметром  0,1  дюйма (3 мм) (данные  автора: 0,1  дюйма = 2,54 мм – UA9LAQ).   3-элементная  направленная  антенна,  выполненная  из  нержавеющей  стали,  дала  усиление  всего  на  0,17  дБ  меньше,  чем  такая  же,  но  -  из  алюминия.

 

Материал                 Усиление,dBi  Вперёд-назад,дБ  Импеданс источника

                                                          R ± jX,Ом

6061-T6 Алюминий            8.25           24.80          24.4 - j 0.8

Нерж. сталь Type 302        8.08           23.65          25.0 + j 0.1

 

Если   всё  время  применять  такие  большие  диаметры  элементов,  то  можно  впасть в  ошибку,  в  связи  с  большой  площадью  поверхности  элементов  и  решить,  что  фосфористая  бронза  и  нержавеющая  сталь  может  безо  всяких  ограничений  применяться  при  постройке  антенн.

Конечно  же, в  первую  очередь,   в  расчёт  здесь  должны  приниматься  электрические  свойства  материалов,  а  не  физические  и  химические.  Вес,  коррозионные  и  другие  факторы  должны  приниматься  в  расчёт,  но  как  дополнительные,  второстепенные  к  выбранным  электрическим  свойствам  проводников,  составляющих  антенну.

 

Правильно  проведённые  исследования  проводников  в  результате  должны  дать  и  необходимый  их  диаметр,  определяющий  полосу  пропускания  изготовленного  из  них  вибратора.  Отсюда:  проволочный  диполь  на  низкочастотные  КВ-диапазоны – подходящее  средство  для  проведения  таких  исследований.  Такой  диполь  поможет  на  практике  показать,  какой  материал  нужно  применять  в  том  или  ином  месте  антенны,  даже  в  ущерб  его  физическим  или  химическим  свойствам.  У  толстых  материалов,  работающих  без  проблем,  при  уменьшении   их  диаметра,  скоро  обнаруживаются  недостатки,  ограничения.

 

Все  прогоны  были  сделаны  в  программе NEC-Win Pro - версии NEC-2. Точные  цифры  могут  изменяться  в  последнем  десятичном  знаке  в  других  программах  или  при  выборе  другого  уровня  сегментирования  (разбиения  на  части  для  обсчёта – UA9LAQ).  В  этом  простом  исследовании  был  выбран  уровень  сегментирования  равный  21. (Диполь  для  расчёта  разбивался  на  21  часть – UA9LAQ).

 

Проба 1: диполь  из  провода  #14  на  диапазон  7.0 МГц

В  этом  эксперименте  я  взял  модель  резонансного  диполя  с  проводниками,  не  дающими  потерь  и  менял  материалы  диполя  из  обычно  прилагаемого  перечня,  с  целью  понаблюдать  за  изменениями  (а  что  будет?).  Вот  данные,  полученные  для  усиления  в  свободном  пространстве,  импеданса  источника  и  эффективности  для  ряда  материалов. 6063-T843 и 6061-T6  - это  алюминий,  который  обычно  можно  встретить  в  виде  труб,  часто  используемых  для  производства  направленных  КВ  и  УКВ  антенн. Проводимость  дана  в  обычной  компьютерной  форме  представления  чисел  в  степени.  Отметьте  себе  и  разницу  между  степенями  E7  и  Е6.

 

Проводимость   Материал          Усиление    Z источника   Эффективность

  S/m                              dBi       R ± jX, Ом          %

Идеал        (без потерь)          2.13      72.2 + j 0.1     100.00

6.2893E7       Серебро             2.04      73.7 + j 1.4      98.09

5.8001E7       Медь                2.04      73.7 + j 1.5      98.01

3.7665E7       Чистый алюм.        2.02      74.1 + j 1.8      97.54

3.0769E7       6063-T832           2.01      74.3 + j 1.9      97.28

2.4938E7       6061-T6             2.00      74.6 + j 2.2      96.98

1.5625E7       Латунь              1.96      75.2 + j 2.7      96.19

9.0909E6       Фосф. бронза        1.91      76.2 + j 3.6      95.02

1.3889E6       Нерж. сталь 302     1.55      83.0 + j 8.8      87.53

 

Заметьте,  что  даже  серебро  имеет  эффективность  на  2%   и  усиление  на  0,1 дБ меньшие,  чем  идеал.  Если  бы  даже  серебро  было  дёшево,  его  невозможно  было  бы  вытянуть  в  провод  с  такими  физическими  свойствами  как,  например,  медь.  Также  заметьте,  что  после  чистого  алюминия,  вниз  по  таблице  потери  резко  возрастают  шаг  от  шага.

 

Проба 2. Проволочный  диполь  на  4  МГц.

В  другой  модели  был  применён  другой  подход.  Я задался  вопросом:  какой  же  минимально  необходимый  диаметр  (размер  по  стандарту  AWG) должен  быть  у  диполя  на  4 МГц,  чтобы  получить  усиление  в  свободном  пространстве  равное  1,75   dBi?  Каждая  смена  материала  приводила  к  изменению  резонансной  частоты  антенны. Я  выбрал  порог  в 1,75 dBi  как  достижимый  приемлемый  для  того  списка  материалов,  который  имеется  в  компьютерной  программе.

 

Материал       Z источника  Эффективн. Усил.,dBi  Длина  Провод AWG

                R ± jX, Ом      %                   м   

Нерж. сталь    78.3 + j 0.1   91.64     1.75      36.36     # 8

Фосф. бронза   78.3 - j 0.4   91.75     1.75      36.46     #16

Латунь         78.1 + j 0.1   92.06     1.77      36.50     #18

6061-T6        78.1 - j 0.0   92.08     1.77      36.52     #20

6063-T832      77.5 - j 0.6   92.85     1.81      36.52     #20

Чист. Алюм.    78.3 - j 0.5   91.88     1.76      36.53     #22

Медь           78.4 - j 0.5   91.76     1.75      36.55     #24

Серебро        78.2 + j 0.4   92.08     1.77      36.57     #24

 

Во-первых,  полученное  усиление  оказалось  не  точно 1,75 dBi,   а  близкое  к  этому  значению  вверху  таблицы,  ниже – такое  же  усиление  получено  при  меньшем  диаметре  провода.

 

Во-вторых,  при  принятых  ограничениях,  заметьте,  что  для  выбранного  усиления,  импеданс  источника  и  эффективность  почти  неизменны.  Что  отличается  в  антеннах,  выполненных  из  разных  материалов,  так  это  их  длина,  - для  настройки  в  резонанс  и  диаметр  провода.

 

В-третьих,  отметьте  большой  разброс  диаметров  проводов  в  таблице.  При  уменьшении  диаметра  провода  относительно  длины  волны,  на  параметры  антенны  начинают  оказывать  всё  возрастающее  влияние  потери.  Если  оставить неизменным  требование  минимального  усиления  антенны  в  1,75 dBi  в  свободном  пространстве,  то  самый  прочный  из  проводов  из  нержавеющей  стали  должен  будет  иметь  размер #8 AWG. Электрические  параметры  расходятся  с  физическими.

 

Фосфористая  бронза  в  этом  эксперименте  приводится  только  для  наглядности,  никто  из  неё  делать,  скажем  на  КВ,  антенны  не  собирается,  требуемый  минимальный  размер  бронзового провода  составляет #16 AWG.   Если  продолжить  развивать  требования  дальше,  скажем,  до  усиления  в  2,0 dBi  в  свободном  пространстве,  то  фосфористую  бронзу  приемлемого  на  практике  размера  уже  не  подобрать.

 

Целью  этой  заметки  является  не  определение,  можно  ли  с  помощью  фосфористой  бронзы  достичь  требуемого  установленного  усиления   и  не  то,  совпадёт  ли  стандартное  значение  требуемого  усиления  с  размером  провода,  имеющимся  у  радиолюбителя  и,  вообще,  приемлемым. А  целью  заметки  является:  дать  совет,  как  правильно  применить  результаты  поставленного  опыта,  избежать  ошибок.

 

Выбор  материала  провода  подразумевает,  что  Вы  знаете  ту  цель,  тот  стандарт,  к  которому  стремитесь.  Поэтому,  моделируйте (или  стройте)  Ваши антенны  с  набором  возможных  материалов,  чтобы  определиться,  что  Вам  пойдёт,  а  что  -  нет. Когда  диаметр  провода  становится  достаточно  тонким  относительно  длины  волны,  задайте  минимальное  значение  требуемого  усиления  и  увидите,  что  некоторые  материалы  сами  по  себе  просто  отпадут – не  пройдут  электрический  тест.

P. S.  Забыли  перевод  размеров  американского  стандарта  AWG  в  метрические           диаметры?  Табличка  позволит  освежить  Вашу  память:

Таблица перевода  значений  размеров  американского  стандарта  AWG  в  метрические  значения

Американский  стандарт  AWG	Ближайший  метрический  стандарт, мм
2	6,5
4	5,2
6	4,1
8	3,3
10	2,6
12	2,1
14	1,6
16	1,3
18	1,0
20	0,8
22	0,6
24	0,5
26	0,4
28	0,3
30	0,25
32	0,2

 

Свободный  перевод  с  английского:   Виктор  Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень   ноябрь,  2004  г