RA6FOO УКВ антенны Траверсы

НА ГЛАВНУЮ - - адрес этой страницы -- http://ra6foo.qrz.ru/traversa.html -- версия 12 01 2010 -- НА ГЛАВНУЮ

СОСНОВЫЕ ТРАВЕРСЫ

01 03 2013 г. Прошло 6 лет с начала эксплуатации антенн на сосновых траверсах и с появления этой заметки. Все это время внимательно следил и искал в интернете любую негативную, но деловую информацию о экплуатации антенн на сосновых траверсах или проблемах, связанных с этим. Теперь могу сказать, что ни в одной статье или сообщении такой информации не встретилось. Вспоминая время, которое было потрачено на разработку антенн, поиск материалов и изготовление сотен антенн на металлической траверсе, сейчас понимаешь, что тогда можно было сделать в разы больше, надежнее и дешевле с тем же результатом.

Почему сосновая? Возможно другая древесина будет в чем то лучше, но такой информации у меня пока нет. То, что фирменные антенны делаются на металлических траверсах, говорит лишь о том, что у них есть возможность просчитать модель в FEKO и т. п. программах с множеством деталей, учесть в ней многое из того, что невозможно учесть в MMANA и NEC. Но такая разработка требует времени и денег, которые затем закладываются в цену серийно выпускаемых антенн. Немалую роль играет и соответствие внешнего вида представлениям о нём покупателя и цене.

Какие преимущества и недостатки в доступности материала, трудоемкости изготовления, моделировании, влиянии на параметры, в работе, прочности, надежности и долговечности у антенн с траверсами из металла и древесины?

1. Доступность заготовки для сосновой траверсы очевидна, цена погонного метра бруска 30х30 мм в 15 раз меньше, чем трубы Д16т 25 мм и даже заказанная мастеру заготовка траверсы обойдется не дороже металлической трубы или профиля. Ее свойства не таят сюрпризов кроме недостатков, известных всем и которые несложно учесть.

2. Если вспомнить, что траверса нужна только для того, чтобы расположить элементы в нужном месте и положении то в сосновой для этого достаточно просверлить в нужных местах отверстия и вставить элементы. Сама металлическая траверса на мой взгляд, более трудоемка, а к этому еще надо добавить крепеж элементов. Сосновую траверсу несложно сделать с переменным, уменьшающимся к концам, восьмигранным профилем. Разметка и сверловка 4х или 8и гранного профиля в несколько раз легче, быстрее и точнее, чем круглого.

3.Сосновая траверса по весу и парусности на 20...30% больше, чем равная ей по прочности алюминиевая. Но вес и парусность сантехники и прочего крепежа на алюминиевой и отсутствие такового на сосновой траверсе уравнивают антенны по этим показателям.

4.Поперечные токи металлической траверсы в программах MMANA, NEC и т.п. не учитываются и в расчете не участвуют. Влияние траверсы корректируется ПОСЛЕ РАСЧЕТА с помощью формул или таблиц. Сосновая траверса, как диэлектрик в центре элемента, не требует коррекции длины элементов. Расчет элемента 145 мгц на траверсе 25х28 мм дает сдвиг частоты вниз менее 0,1 мгц, элемента 1296 мгц на траверсе 9х15 мм- менее 4 мгц. Та же траверса, но металлическая, дает сдвиг по частоте вверх в 15 раз больше.

4а. О потерях в древесине. Данные диэлектриков и древесин приведены в таблице и на графиках ниже. Некоторое представление о них может дать сравнительное испытание в микроволновке. Древесина ничуть не хуже жесткого ПВХ, из которого делают коробочки, используемые для монтажа вибраторов. Здесь важнее то, что потери в диэлектрике пропорциональны квадрату напряжения. А оно, как известно, максимально на концах элемента и стремится к нулю в центре. Поэтому например текстолитовый изолятор КВ диполя спокойно работает как изолятор в центре диполя, но дымит и обугливается как концевой изолятор, установленный вместо изолятора из радиофарфора, где потери диэлектрика в сотни раз больше, чем в центре диполя. В центрах элементов, где потери минимальны, и расположена сосновая траверса. Потерь в ней не больше, чем в ПВХ оболочке кабелей, лежащих на траверсе.

5. Очень желательно, чтобы у антенны на металлической траверсе была симметрия- и геометрическая и по питанию. В противном случае в траверсе наводится продольный ток, влияющий на параметры только в худшую сторону. Металлическую траверсу нельзя применять в антеннах ВК с вибраторами с гамма-согласованием, полупетлевыми, а в общем случае- с несимметричными вибраторами и с вибраторами без отсечки тока по оплетке или симметрирования полуволновой петлей. В многоэлементной антенне с вертикальной поляризацией из за прогиба траверсы симметрии нет, более того, в плоскости поляризации размер металлической траверсы увеличивается на величину прогиба, из за чего продольный ток еще больше.

6. Есть в электротехнике термины "блуждающие" и "уравнивающие" токи. Сосед пустит нулевой провод в обход счетчика, перекос фаз, и многое другое являются их причиной. Если вибратор неизолирован от траверсы, а далее мачта, растяжки и какая нибудь железяка с ненулевым потенциалом 50 гц. Напряжение небольшое- максимум 30 вольт, но иметь их через оплетку кабеля на корпусе аппарата или пустить уравнивающий ток далее через блок питания или через заземление в обоих случаях нежелательно. А если вибратор на хорошем изоляторе и более того, ни вибратор, ни схема согласования не обеспечивают гальванической связи между центральной жилой и оплеткой, предгрозовая статика если не наделает лишних "дырок" в транзисторах, то пошумит разрядами, а изолированные пассивные элементы подпоют разрядами на траверсу. Древесина изолятор неидеальный и по мере поступления статики тихо отправит ее на мачту. Но и не столь хороший проводник, чтобы коротить токи 50 гц.

7. По результатам испытаний предел прочности на излом у траверсы без отверстий из трубы Д16т диаметром 22 мм и стенкой 1.5 мм и у сосновой траверсы прямоугольного сечения 25 х 25 мм одинаков. Сосновая траверса весит почти столько же. Сопротивление кручению у соснового бруска значительно меньше, чем у металлической трубы, но это относится больше к одиночной перекладине в стеке, на самой траверсе крутящих нагрузок нет. Недостатком сосновой траверсы является вероятность продольной деформации (скручивание пропеллером). Его можно избежать, делая для траверсы заготовки из досок БУ или после долгого хранения отдельно (не в пачке с другими), у которых внутреннее напряжение скрученного состояния уже разряжено. На практике не было случаев скручивания.

8. У сосновой траверсы упругая деформация (гибкость) в два-три раза больше, чем у металлической, а остаточная деформация (пластичность) во много раз меньше. На практике это значит, что при сильном ветре или случайных нагрузках сосновая траверса имеет больший изгиб, но после снятия нагрузки полностью восстанавливает форму. В большинстве случаев эти свойства положительны и при равном с металлической траверсой пределе прочности на излом позволяют избежать и поломок или деформации самой траверсы и уменьшают разрушающие нагрузки на узлы крепления. У древесины нет такого понятия, как у металлов: "усталость" и излом от многократных изгибов.

9. Многие опасаются, что со временем сосновая траверса постепенно согнется под весом элементов и собственным весом, проводя аналогию с ветками деревьев. Но причины и процессы в живой, мертвой древесинах и металле, приводящие к изменению первоначальной формы под влиянием постоянных средних нагрузок различны. В живой древесине это различная скорость нароста ее слоев для избежания поломки или касания веток. В металле- изменение межкристалльных расстояний и связей до определенного предела (предел текучести). В мертвой древесине прогибу и остаточной деформации под силй тяжести противостоит выпрямляющий эффект от различной влажности верхней и нижней сторон траверсы и различной скорости высыхания и долговременного изменения их свойств под воздействием солнца и в долговременном плане не приводит к остаточной деформации, но вероятность ее все таки остается. Конструкция антенн позволяет в таком случае провернуть траверсу вдоль оси на 180 гр. но необходимости в этом пока не возникало.

10. Надежность крепления элементов к металлической траверсе до сих пор остается или наиболее слабым звеном или очень трудоемким. Зазоры между элементом, крепежом и траверсой подвержены коррозии от длительно находящейся в них влаги и нагрузкам на разрыв при ее замерзании. Металлический крепеж трудно подобрать и по коррозионной стойкости и по минимуму гальваноЭДС одновременно. Пластмассовый крепеж по стойкости к ультрафиолету и крайним значениям температур внешней среды ограничен сроком службы. Обилие крепежных элементов и деталей конструкции на металлической траверсе не только вносит свои неучтенные в модели коррективы в параметры антенны, но и усложняет или делает вообще невозможным учет и оценку надежности конструкции.

11. Крепление элементов в сосновой траверсе заключается лишь в тугой посадке их в отверстия в траверсе, в которые предварительно внесено несколько капель эпоксидной смолы. Пропитывать всю траверсу чем либо перед этим не надо, это только снизит надежность посадки элементов.

12. Сосновая древесина требует защиты от гниения, солнечной радиации, чрезмерной влажности и высыхания. "Варить олифу" не надо, есть эффективные и недорогие средства для этого. Обычные краски типа ПФ 115 достаточно хорошо защитят траверсу на два - три года, после которых желательно нанести новый слой краски. Делать антенну "на века" и для внуков в нашем деле смысла не больше, чем завещать им свой компьютер. Если всё же необходима траверса на десятилетия, то для этого есть пропитка Пинотекс и яхтовый лак Маршалл.

13. Траверса из стеклопластика как диэлектрик заметных преимуществ не имеет. Ее сверловку надо производить вне жилого помещения из за пыли, состоящей из стеклянных микроиголок. Долговечность ее ограничена старением и высыханием под прямыми солнечными лучами связующего полимера- эпоксидной смолы. Многие из вас видели, как былая глянцевая поверхность стеклопластикового шифера для навесов через несколько лет превращается в лохматую стеклянную "шерсть", а позже высыхает до сквозных дыр в ней. Поэтому на неё тоже надо наносить защитное покрытие из краски, Причем обычная краска держится стеклопластике значительно хуже, чем на деревянной поверхности.

Диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь

Наименование материалов ε tg потерь x10³ Наименование материалов ε tg потерь x10³

поливинилхлорид изоляционн 4 - 6 50 - 90 фарфор 5 7 - 8

поливинилхлорид шланговый
6,4 - 7,5
72 плексиглас 2,7 - 3,6 7

поливинилхлорид
3 - 5
40 - 60 полиэтилен 2,2 - 2,4 0,2

текстолит ВЧ 7,5 - 8 70 полиэтилен вспененый 1,5 0,3

гетинакс 6 - 7 40 - 60 полиэтилен пористый 1,4 0,3-0,5

древесина(сосна) 1,7 - 4 15 - 250 полиэтилентерефталат (лавсан) 3 - 4 2 - 4

древесина(береза) 1,8 - 4 20 - 300 полистирол 2,5 0,3-0,6

бакелит 4 38 полипропилен 2 0,5

смолы эпоксидные 3,7 - 3,9 19 полиизобутилен 2,2 - 2,3 0,4 - 0,8

резина 2,4 - 3,0 15-18 парафин 2,2 0,5-1,0

поливинил 2,8 8 - 20 фторопласт (тефлон) 2,1 0,2

капрон 3,8 - 4,2 10 - 20
фторопласт-4
1,9-2,2

0,2 - 0,3

стекло,песок 5,0-10,0 0,6-15
фторопласт-3
2.5 - 3

5 - 10

СОСНОВАЯ ДРЕВЕСИНА,КАК ЭЛЕМЕНТ КОНСТРУКЦИИ АНТЕННЫ

Основным компонентом древесины является альфа- целлюлоза. Древесина относится к полярным диэлектрикам, которые в определенных диапазонах частот и температур значительно уступают по своим свойствам неполярным. У древесины подьем потерь на звуковых частотах 2...20 КГц, где она плохой диэлектрик. По мере увеличения частоты tg потерь снижается и на радиочастотах от 10 МГц и выше при естественных температурах сухую древесину можно отннести к диэлектрикам с средними потерями, таким как гетинакс, текстолит, эбонит, бакелит, поливинилхлорид, эпоксидные смолы, стеклотекстолит.
Важными для использования древесины в качестве траверсы являются два параметра:
1- диэлектрическая проницаемость Er. Чем выше Er и толще траверса, тем больше смещение частоты элементов вниз.
2- тангенс угла диэлектрических потерь (tg β x1000). Его влияние проявляется в виде нагрева диэлектрика в поле ВЧ, т.е. потерями ВЧ энергии. Чем больше tg β, тем больше потери.
Изменение Er и tg β в зависимости от % содержания влаги показано на графиках. По горизонтаьной оси отложены значения удельной плотности полностью сухой древесины различных пород.

Графики из: Torgovnikov GI (1993) Dielectric Properties of Wood and Wood-Based Materials, Springer, Berlin

Графики для частоты 10 ГГц. По другим источникам в полосе частот от 10 МГц до 10 000 МГц Er и tg потерь полностью сухой древесины меняются мало и в зависимости от породы и плотности древесины имеют значения: Er 1,5...2,0 и tg β x1000 от 15 до 30. Вариации больше зависят от удельной плотности и мало зависят от частоты и породы древесины.
В полностью сухом состоянии древесина пребывает очень редко, а содержание влаги влияет на Er и tg β. В свежесрубленной древесине содержание влаги от 30 до 60%. Содержание влаги в защищенной покрытием траверсе в обычных условиях эксплуатации от 5 до 20%.
Для используемых в конструкциях сайта толщин траверс можно считать, что сдвиг частоты элемента вниз составляет около 0,1% от частоты. Для сравнения, та же траверса из металла сдвигает частоту вверх на 1%.
Влияние несущих элементов конструкции из древесины на элемент сведено к минимуму, если он расположены в узлах (минимумах) напряжения. У волновых каналов это центра элементов, за которые они крепятся к траверсе. Наглядное представление о том, насколько зависят потери в диэлектрике и его влияние на частоту элемента от его местоположения на нем можно получить на J антенне из медной трубки 6 мм. Здесь в зазоре у торца 1/4 волнового согласователя напряженность поля еще выше, чем у торцов линейного элемента и перемычка, фиксирующая зазор между коротким и длинным проводниками, расположенная в непосредственной близости от торца, греется даже если она фторопластовая и при этом сильно влияет на частоту. В то же время если ниже точек подключения кабеля установить такую же перемычку даже из сырого соснового бруска, она останется холодной, т.к. здесь минимум напряжения и она практически не повлияет на частоту резонанса. В антеннах ВК траверса как раз находится в зоне минимума напряжения. В связи с этим также замечено, что заглушки на торцах трубчатых элементов в виде колпачков из диэлектрика влияют на частоту и увеличивают потери, поэтому их лучше делать в виде пробки или заливки герметиком без выступа за торец трубки, наоборот, лучше с некоторым углублением внутрь.
Сопротивление постоянному току бруска древесины 20х20х100 мм, полностью пропитанного дождевой водой- 50 Ком, тот же брусок средней влажности имеет единицы Мом.

Металлическая и сосновая траверсы были испытаны на прочность. Две опоры,между которыми 1 метр.
На них кладутся испытуемые образцы длиной 110 см. В центре образца подвешен груз. Вот результаты:
1) Трубка из дюралюминия Д 16 т, диаметр 22 мм х1.5 мм. Вес трубки 310 гр. Разрушающее усилие 47 кг.
2) Та-же трубка с отверстием 8 мм у центра, в нем втулка с элементом 4 мм. Разрушающее усилие 40 кг.
3) Сосновый брусок без сучков 22х25 мм, в нем отверстие 4 мм. Вес 300 гр. Разрушающее усилие 45 кг
Многое конечно зависит здесь от смолистости и направления волокон древесины

Изолировать древесину от влаги невозможно. Спиральная структура молекул целлюлозы мала для больших молекул жирных кислот пропиточных лаков, зато вода свободно проникает внутрь спиралей. А защитить древесину от солнечной радиации и от резких перепадов её влажности можно и нужно. В незащищенную древесину вода проникает в основном капиллярным способом, пропитывая ее как вату. В защищенную с пропитанным внешним слоем и окраской - в основном за счет всасывания воды через мелкие поры и микротрещины в поверхности во время дождя и тумана из за быстрого охлаждения и сжатия воздуха внутри нее. Закрыть для воды все пути проникновения можно в вакуумной камере, заменив воздух в древесине погружением в пропиточный лак и последующим повышением давления. Но это будет уже тяжелый сплошной древопластик. Здесь нужен разумный баланс.
Советов и способов защиты ее от влаги больше, чем рецептов от радикулита. Хорошая современная мелкодисперсная краска ПФ 115 наносится в два- три слоя. Первый негустой краской на высушенную траверсу в теплом помещении с повторными проходами до насыщения поверхности, но без потеков. Второй сразу как только можно браться руками. Третий по необходимости или только подкраска и тоже прежде, чем полное высыхание предыдущего слоя. Если пропитку и окраску делать разными материалами и с большим перерывом по времени, шансов надеяться на диффузное соединение слоев без шелушения в отдаленном времени значительно меньше.

НА ГЛАВНУЮ