7.1. Основные материалы для изготовления антенн
7.1. Основные материалы для изготовления антенн
Активные и пассивные вибраторы, полотна, мачты, симметрирующие мостики, рамки, платы питания и другие элементы антенн изготавливаются из стальных, медных и алюминиевых сплавов. Наилучшими материалами являются сплавы из меди: латунь марки ЛС59-1, ЛС58-10, Л-63, из алюминиевых — АМг2 и АМгб, которые обладают наилучшими характеристиками и наиболее устойчивы к воздействию механических и климатических нагрузок.
Некоторые детали и элементы изготавливаются из диэлектрических материалов, которые необходимы для изоляции токоведущих проводников и частей антенн. В качестве изоляционных материалов используются плексиглас, полистирол, гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, ударопрочные пластмассы, дерево, органическое стекло, капролон, фторопласт и керамика.
Применять изделия из различных пород дерева в качестве изоляционного материала можно лишь в крайних случаях, предварительно обработав их изоляционными лаками или парафином. Необходимо иметь в виду, что из всех перечисленных изоляционных материалов наилучшими диэлектрическими параметрами обладает полистирол, но он, правда, недостаточно прочен при ударных нагрузках. Изоляционные детали из стеклотекстолита требуют осторожности при их механической обработке. Надо соблюдать меры предосторожности, исключающие попадание мелких частиц материала в дыхательные пути.
Материалы из алюминиевых сплавов марок АМг2 и АМгб обладают высокой механической прочностью, пластичны, хорошо поддаются гибке и сварке.
Учитывая, что все наружные антенны эксплуатируются на открытом воздухе и постоянно подвергаются воздействию атмосферных явлений, необходимо после сборки антенны и в процессе изготовления деталей принять
меры по защите от коррозии и старения. Защита металлических деталей от коррозии производится гальваническим покрытием и окрашиванием. Деревянные детали антенны защищаются специальным покрытием типа «Сенеж» от гниения и возгорания. При сборке антенны следует избегать контактирования разнородных металлов и гальванических покрытий, образующих недопустимые гальванические пары. Наличие таких гальванических пар приводит к коррозии в месте стыка, особенно в условиях влажного морского климата. Допустимые и недопустимые контакты между металлами и покрытиями приведены в табл. 7.1 и 7.2.
Например, к стальным трубкам вибраторов можно присоединять медную жилу коаксиального кабеля следующими способами:
зажимом под стальную оцинкованную шайбу с таким же винтом и с обязательным предварительным лужением конца медной жилы;
пайкой к стальному оцинкованному лепестку, с обязательным предварительным лужением конца жилы и части поверхности трубки;
Недопустимо приклепывать к медной трубке стальные лепестки, независимо от того, оцинкованы они или нет,
прижимать необлуженную медную жилу кабеля к стальной трубке, так как в этих случаях образуются электрохимические пары медь — сталь или медь — цинк.
Также необходимо отметить, что паяные соединения, выполненные припоями марок ПОС-40, ПОС-60 и другими, содержащими олово и свинец, обладают невысокой механической прочностью, поэтому кабель рядом с местом пайки дополнительно крепится скобой и винтом.
К трубке вибратора, изготовленного из меди или медных сплавов, можно непосредственно припаивать жилу коаксиального кабеля из меди, можно также поджимать жилу кабеля медным винтом или припаивать к медному лепестку, приклепанному к трубке. Нельзя припаивать провода и элементы антенны кислотными припоями, надо использовать только бескислотные флюсы, канифоль и спирто-канифольные присадки.
Перед пайкой все детали антенн необходимо тщательно очистить от грязи и ржавчины, зачистить до металличес
кого блеска, затем прочно соединить друг с другом, а после пайки закрасить масляной краской. Для защиты любых контактных пар можно использовать нитрокраски, шпаклевки и эпоксидную смолу, а также быстровысыхающие клеи.
Коаксиальный кабель монтируется с учетом следующих требований, обеспечивающих надежную эксплуатацию антенны:
при пайке необходимо использовать низковольтные паяльники малой мощности, не допускающие перегрева и оплавления полиэтиленовой изоляции и смещения внутреннего проводника;
при укладке надо соблюдать минимально допустимые радиусы изгиба коаксиального кабеля;
при вертикальной прокладке кабеля по мачте антенны нужно закреплять его через каждые 300 мм, так, чтобы кабель не мог вытягиваться под действием собственного веса;
при горизонтальной прокладке кабеля, например между опорами или мачтой, установленной на земле, и домом, необходимо закрепить его на металлическом тросе или проволоке;
при монтаже надо следить за тем, чтобы жила кабеля не была надрезана и чтобы волоски металлической оплетки не замыкались на жилу;
при монтаже кабелей, симметрирующих петель и т. п. необходимо подвязывать их или крепить хомутами к стреле или к мачте;
соединения и распайка кабелей закрываются крышками и герметизируются.
Какой метал лучше использовать для антенны
Какой металл можно применить для изготовления антенны, а какой нежелательно? Какими критериями руководствоваться в выборе материала? Эти вопросы обязательно встанут перед вами, если вы всерьез взялись изготовить хорошую антенну самостоятельно. Попробуем найти на них ответ.
В поиске ответа самым важным является понимание того факта, что на высоких частотах ток течет не во всем сечении проводника, а только в тонком поверхностном слое. Это явление носит название скин-эффект. За толщину скин-слоя принято брать расстояние от поверхности металла, на котором величина тока равна 0.37 от величины на поверхности. При этом сопротивление скин-слоя такой толщины на данной частоте равно его сопротивлению на постоянном токе. Толщина скин-слоя уменьшается с ростом частоты. При этом уже в ДМВ диапазоне она составляет единицы микрон. Из этого следует вывод, что для нас важно из чего изготовлен поверхностный слой проволоки и не важен состав ее середины.
Сразу исключим непригодные металлы для антенны — это ферромагнетики — железо, никель и сплавы на их основе, например, сталь. Однако биметаллические провода со стальной серединой и медным покрытием (БСМ, БСМГ), очень даже пригодны. Именно благодаря наличию скин-эффекта. А конкретнее — все металлы и сплавы, которые можно применять в качестве внешнего слоя элементов антенн, можно разделить на две группы:
Внутри групп металлы мало отличаются по потерям и практически равноценны. Антенны из металлов и сплавов 2-ой группы уступят по усилению антеннам из металлов 1-ой группы от 0.04 до 0.16 dB, что на практике почти не ощутимо. Очевидно, что годится не только биметалл с медным покрытием, но и сплошной медный провод или провод из любого из шести вышеперечисленных металлов.
О всевозможных сплавах следует сказать отдельно. Примеры:
Поэтому совершенно не стоит рассчитывать, что присутствие слова «медь» или «алюминий» в названии или в составе сплава обеспечит ему малое сопротивление.
Благодаря скин-эффекту шероховатость поверхности провода увеличивает его сопротивление, т. к. увеличивается длина пути для ВЧ тока. Под влиянием атмосферных воздействий провод обычно окисляется, его поверхность становится более шероховатой и свойства антенны ухудшаются. При этом можно выделить несколько случаев:
Лакокрасочное покрытие хоть и способно защитить провод от окисления, однако со временем все же разрушается и нуждается в периодическом обновлении. Понятное дело! Если вы следите за состоянием своего автомобиля, то антенна тоже нуждается в уходе.
По механическим свойствам, способности противостоять нагрузкам, например весу птиц в порядке уменьшения прочности металлы располагаются в следующем ряду: стальной биметаллический провод, жесткая латунь, дюралюминий, медь, алюминий. Отдельно стоит упомянуть, что замена сплошного металла на фольгированный стеклотекстолит на высоких частотах без пересчета антенны недопустима, подробнее здесь.
При подключении кабеля снижения к антенне в месте контактов разных металлов возможна электрохимическая коррозия. В следующей таблице указана совместимость разных металлов в контактном соединении на открытом воздухе :
«+» — совместимые, «-» — не совместимые, «0» — нейтральные.
При выборе места установки антенны на крыше необходимо избегать близости дымовых и вентиляционных труб, т. к. выходящие газы оказывают разрушающее действие на металл антенны. Со временем под воздействием агрессивной окружающей среды антенна постепенно разрушается, но радует то, что IT технологии распространяются и развиваются гораздо более высокими темпами
Какой метал лучше использовать для антенны
На ВЧ ток течет не во всем сечении провода, а в тонком наружном слое, скин-слое. Исключим металлы, 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.
Толщина скин-слоя 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.
| серебро | 1,6 | цинк | 5.9 | припой ПОС 60 | 14 | железо | 10 / 200 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| медь | 1,75 | латунь | 3. 8 | свинец | 19 | мягкая сталь | 20 / 800 |
| алюминий | 2,8 | бронза | 10 | титан | 11,5 | сталь легиров. | 60. 110 / 1. 120 |
| алюминий сплавы | 3.0. 5.9 | хром | 13 | сплавы титана | 50. 170 | нихром | 105 |
| Алюминий | марка сплава | А8М-АД0М | АМцМ | АМцН2 | АМг2М,Н,Т | АМг5М | АД31М,Н,Т,Т1 | Д16М | Д16Н,Т,Т1 | В95Н,Т,Т1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2,8 | уд. сопротивление | 3,0 | 3,5 | 4,38 | 5.3 | 5,8 | 3,2 | 3,9 | 5,8 | 5.8 |
| ||||||
|
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. 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. О сплавах следует сказать особо. Примеры: БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОВОДА Толщина скин-слоя на 145 мгц например у меди всего 5 микрон, 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. — 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. 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. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
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
Материалы для изготовления антеннОтдельно необходимо остановиться на материалах, которые используются при изготовлении антенны. Элементы антенны могут выполняться из трубок, прутка, полос или уголков любого металла. В соответствии с поверхностным эффектом токи высокой частоты протекают исключительно по поверхности металла, поэтому тонкостенная трубка или сплошной пруток того же диаметра по своим свойствам совершенно одинаковы. Обычно телевизионные антенны выполняют из алюминия или его сплавов. Это объясняется тем, что антенна из таких трубок получается достаточно прочной и легкой. Однако электрические свойства алюминиевых антенн недостаточно высоки из-за того, что в местах соединений элементов антенны часто образуются плохие контакты, вызванные окисной пленкой, покрывающей поверхность алюминиевых сплавов. Это с течением времени может привести к выходу антенны из строя. В принципе антенна может быть выполнена из любого металла; меди, латуни, бронзы, стали или нержавеющей стали. По сравнению с алюминиевыми антеннами такие антенны, конечно, будут значительно тяжелее. Во всех случаях соединения элементов антенны желательно производить таким образом, чтобы исключить возможность появления плохих контактов из-за коррозии или разрушения от электролиза. Для этого все соединения лучше всего сваривать или пропаивать. В этом случае элементы антенны могут быть выполнены и из разных металлов. Если использовались стальные элементы и пропаивались с применением кислотного флюса, для удаления его остатков места пайки должны тщательно промываться горячей водой, иначе остатки флюса в течение непродолжительного времени приведут к сильной коррозии металла. Следует помнить, что пайка служат лишь для обеспечения хорошего электрического контакта. Механических нагрузок пайка оловянными припоями не выдерживает. Поэтому необходимо обеспечить прочность соединений другими способами (заклепками, болтами и т. д.), а после сборки эти соединения пропаять. Исключение составляет пайка твердыми припоями, которые имеют достаточную прочность. Во избежание коррозии антенна после полной сборки и припайки к ней фидера с согласующим устройством тщательно очищается от окислов и хорошо прокрашивается в несколько слоев масляной или нитрокраской. Можно также использовать синтетические автоэмали. Эти красители являются хорошими диэлектриками и на работу антенны совершенно не влияют. Использовать же алюминиевые краски нежелательно, так как они обладают конечным значением сопротивления. Места подключения кабеля к элементам антенны нужно герметизировать во избежание попадания влаги. Наилучшая герметизация достигается использованием пластифицированной эпоксидной смолы. Такая смола в виде эпоксидного клея марки ЭДП имеется в продаже в магазинах хозяйственных товаров. Место, подлежащее герметизации, накладывается на кусок пластилина, в нем делается углубление соответствующей формы и заливается смолой. После ее затвердевания пластилин удаляется, а поверхность смолы обрабатывается напильником для придания ей ровной формы. Для хорошего прилегания смолы к металлу он должен быть предварительно обезжирен ацетоном. По книге В.А.Никитина «Как добиться хорошей работы телевизора.»  Привет, друзья! Сегодня мы с вами поговорим о замечательной  Привет, дорогие дети! Сегодня я хочу рассказать вам  Дорогие дети, сегодня мы поговорим о загадочной поговорке «  Привет, дорогие дети! Сегодня мы поговорим о забавной |
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.