НА ГЛАВНУЮ - - адрес этой страницы -- http://ra6foo.qrz.ru/z-wibr.html -- версия 08 09 2016 г (первая) НА ГЛАВНУЮ
(дополнение к странице ВК 145 МГц с разрезным и Z-вибратором)
Разрезной вибратор
Известно, что если на плечо вибратора надеть короткую трубку из диэлектрика, его частота понизится.
Ниболее сильно - когда трубка покрывает самый конец вибратора и по мере сдвига трубки к центру
вибратора её влияние уменьшается. Влияние диэлектрика обьясняется увеличением емкости участка
провода под ним к окружающему пространству и зависит от плотности заряда, которая максимальна на
концах вибратора и минимальна в его центре. По этой причине влияние диэлектрической траверсы
на пропущенные сквозь неё элементы минимально, т. к. траверса находится в центре элементов.
У антенн ВК 145 МГц расчетные и экспериментальные данные понижения частоты элемента в
зависимости от толщины траверсы составляют 60...100 Кгц.
Если обычный разрезной вибратор, центральная часть которого находится в диэлектрике (с запиткой как бы внутри дизлектрика) смоделировать в программе обьемного моделирования (напрмер в FEKO), то получим на первый взгляд странный результат, частота вибратора или не понизится, или повысится примерно на ту величину, на которую мы ожидали её понижение. Обьясняется это тем, что диэлектрик увеличивает емкость между торцами вибратора на величину своей диэлектрической проницаемости и говорит о том, что повышающее частоту влияние увеличения межторцевой емкости противоположно и равно или преобладает над понижающим частоту влиянием увеличения емкости к окружающему пространству участка вибратора под диэлектриком. Соотношение влияния этих факторов зависит от диаметра вибратора, зазора меж торцами, длины участка вибратора, покрытого диэлектриком и т. п.
На частоту обычного разрезного вибратора влияет и другой, более известный фактор - индуктивность проводов от разделки кабеля до мест их пайки к плечам вибратора, которая понижает его частоту. В модели вибратор до точки запитки одного диаметра, в реале точкой запитки является срез кабеля, далее центральная жила и косичка экрана уже являются участками вибратора, а они обычно меньшего диаметра и соответственно большей погонной индуктивности, чем плечи разрезного вибратора, что понижает его частоту.
Следует отметить, что и эти емкости и индуктивность проводов - факторы конструктивные и в расчетах в программе MMANA не участвуют, как и не участвует влияние металлической траверсы. На практике достаточно соблюдать зазор между торцами вибратора, необходимый лишь для поключения кабеля как можно более коротками проводами, чтобы все эти три фактора в результате имели бы малое влияние. Если конструктивно приходится отступать от этого, то расчет того или иного случая в FEKO даст представление, следует ли как то корректировать влияние этих факторов или нет.Z-вибратор
Если обычный разрезной вибратор, центральная часть которого находится в диэлектрике (с запиткой как бы внутри дизлектрика) смоделировать в программе обьемного моделирования (напрмер в FEKO), то получим на первый взгляд странный результат, частота вибратора или не понизится, или повысится примерно на ту величину, на которую мы ожидали её понижение. Обьясняется это тем, что диэлектрик увеличивает емкость между торцами вибратора на величину своей диэлектрической проницаемости и говорит о том, что повышающее частоту влияние увеличения межторцевой емкости противоположно и равно или преобладает над понижающим частоту влиянием увеличения емкости к окружающему пространству участка вибратора под диэлектриком. Соотношение влияния этих факторов зависит от диаметра вибратора, зазора меж торцами, длины участка вибратора, покрытого диэлектриком и т. п.
На частоту обычного разрезного вибратора влияет и другой, более известный фактор - индуктивность проводов от разделки кабеля до мест их пайки к плечам вибратора, которая понижает его частоту. В модели вибратор до точки запитки одного диаметра, в реале точкой запитки является срез кабеля, далее центральная жила и косичка экрана уже являются участками вибратора, а они обычно меньшего диаметра и соответственно большей погонной индуктивности, чем плечи разрезного вибратора, что понижает его частоту.
Следует отметить, что и эти емкости и индуктивность проводов - факторы конструктивные и в расчетах в программе MMANA не участвуют, как и не участвует влияние металлической траверсы. На практике достаточно соблюдать зазор между торцами вибратора, необходимый лишь для поключения кабеля как можно более коротками проводами, чтобы все эти три фактора в результате имели бы малое влияние. Если конструктивно приходится отступать от этого, то расчет того или иного случая в FEKO даст представление, следует ли как то корректировать влияние этих факторов или нет.
В зоне питания вибратора УКВ антенн ВК с разрезным и Z-вибратором:
Индуктивность проводов от торца коаксиала до точек их подключения к вибратору понижает частоту вибратора
Конструктивная емкость между торцами вибратора или его концами вперехлест у Z-вибратора повышает частоту вибратора
При расстоянии между торцами разрезного вибратора, равном их диаметру, их влияние близко к взаимокомпенсации.
Поэтому в программах MMANA и NEC эти факторы в модель не вводятся, их ввод приводит к большим, чем без него, ошибкам.
В общем случае это тот же разрезной вибратор, плечи которого сделаны несоосно ( разнесены
или вверх-вниз или вперед-назад) и сдвинуты навстречу друг к другу так, чтобы они перекрывались
на 3...5 мм больше толщины траверсы (габарит вибратора должен быть оставлен примерно тем же).
Это позволяет обойтись без деталей крепления плеч вибратора и просто впрессовать их в отверстия
в траверсе. Одно из плеч должно выходить на ...5 мм с обратной стороны траверсы для подпайки
к нему центральной жилы. Экран при этом лежит на другом плече и подпаян к нему без косички.
Естественно, что траверса должна быть из диэлектрика, стеклопластиковая, сосновая и т. п.
Cмещение точек питания от центра вибратора практически не влияет ни на входное сопротивление
и усиление, ни на диаграмму направленности. Преобразовать разрезной вибратор в Z-вибратор
без потери параметров можно в любой модели. У антенн с V-образным разрезным вибратором
вариант с вертикальным смещением плеч позволит при сверловке задать угол V-образности
и исключит вращательные нагрузки на крепление плеч вибратора.
Z-вибратор и антенны с ним (также, как и с вибраторами с гамма-согласованием) не могут быть корректно рассчитаны в NEC 2, NEC 4, EZNEC, и других программах на вычислительном ядре NEC. Подробнее об этом на стр. Модели УКВ антенн. в NEC 2 или в MMANA ?
Отличия Z-вибратора от обычного разрезного
Z-вибратор и антенны с ним (также, как и с вибраторами с гамма-согласованием) не могут быть корректно рассчитаны в NEC 2, NEC 4, EZNEC, и других программах на вычислительном ядре NEC. Подробнее об этом на стр. Модели УКВ антенн. в NEC 2 или в MMANA ?
А вот с влиянием емкостей и индуктивностей в Z-вибраторе дело обстоит иначе, чем в обычном
разрезном.
ИНДУКТИВНОСТЬ проводов от кабеля до плеч вибратора уже заложена в модели в виде провода диаметром, равным диаметру центральной жилы кабеля. ЕМКОСТЬ между плечами вибратора также участвует в расчете в MMANA в виде емкости между параллельными проводами. Она существенно больше, чем емкость в зазоре меж торцами обычного разрезного.
Несмотря на то, что индуктивность и емкость участвуют в расчете в MMANA, две причины всё же могут требовать коррекции.
ПЕРВАЯ - емкость перехлеста рассчитывается с ошибкой из за малого отношения расстояния между проводами к их диаметру.
ВТОРАЯ - перехлест расположен в теле траверсы и она как диэлектрик не может быть введена в расчет в MMANA или NEC.
Обе ошибки одного знака, занижающие фактическую емкость между плечами и необходимо оценить, должны ли они быть учтены в модели, и если да, то как привести модель к фактическому результату. Для этого надо рассчитать емкость, учтённую в программе и фактическую и по их разности принять решение о том, необходимо ли ввести в модель компенсирующий эту ошибку фактор, чтобы привести результат расчета к тому результату, который будет получен фактически, или нет.
ПРИМЕР РАСЧЕТА: Z-вибратор 145 МГц из прутков 5 мм, с сдвигом 12 мм и перехлестом 30 мм на траверсе 25х25 мм из сосны с Er 2.5.
Точный расчет сложен и в нём нет необходимости, поэтому перехлест можно считать как отрезок двухпроводной линии.
В нашем примере её волновое 160 Ом, а погонная емкость 17,3 пф/м или 0,52 пф на отрезке 30 мм для воздуха, а с учетом Er=2,5 древесины 1,3 пф на участке 30 мм.
MMANA считает такую линию как 195 Омную, т. е. с ошибкой в 1,22 раза, которая полностью лежит на заниженной в расчете в 1,5 раза (1,22 в квадрате) емкости между близкорасположеннми проводами, значение которой в расчете было принято как 17,3 /1,5=11,5 пф/м или 0,35 пф на отрезке 30 мм. Итого ошибка составляет 0,95 пф в сторону уменьшения.
Рассчитанная с ошибкой в −0,95 пф параллельная емкость даст ошибку в реактивности Jx входного сопротивления в −2 Ома.
Ошибка незначительная, она приведет к КСВ 1,03 если в расчете было 1,0. Ту же ошибку даст изменение длины вибратора на 2 мм.
C учетом вариаций Er древесины от 1,5 до 4 и допущенных упрощений расчета ошибка может быть вдвое меньше или больше.
Далее могут быть варианты:
1 - ошибкой пренебречь, моделировать с 0 реактивностью во входном, а решение принять по результату изготовления.
2 - моделировать с нулевой реактивностью, но с утолщеным диаметром провода с источником (центральной жилой кабеля). Утолщенным настолько, чтобы его индуктивность была меньше на те самые −2 Ома погрешности расчета реактивности. Фактически индуктивность будет больше и компенсирует погрешность. Чтобы и модель и антенна отвечали требованиям к антеннам для ЕМЕ, на странице ВК 145 МГц с разрезным и Z-вибратором в моделях с Z-вибратором выбран 2 вариант. В них предполагается использовать кабели типа РК50-4,8-3х с диаметром центральной жилы 1,72 мм. Вводимый для компенсации диаметр 5 мм (радиус 2,5 мм)
Величина ошибки зависит от отношения расстояния между проводами к их диаметру. На странице ВК 145 МГц с разрезным и Z-вибратором предложены 3 варианта расстояний и диаметров проводов вибратора: 10/4 мм, отношение 2,5; 12/5 мм, отношение 2,4 и 14/6 мм, отношение 2,33. Меняется отношение - меняется и величина ошибки, но пропорционально меняется и длина провода с компенсацией и его индуктивность, поэтому диаметр провода с источником для этих 3 вариантов один и тот же, 5 мм.
В заключение
Ошибка незначительная, а при увеличении отношения "сдвиг/диаметр" до 3...4 о ней вообще не стоило бы писать, и без неё и в самой модели и на её пути к реальной антенне их мелкое множество, но если есть возможность учесть хотя бы некоторые из них, то почему бы и нет?
ИНДУКТИВНОСТЬ проводов от кабеля до плеч вибратора уже заложена в модели в виде провода диаметром, равным диаметру центральной жилы кабеля. ЕМКОСТЬ между плечами вибратора также участвует в расчете в MMANA в виде емкости между параллельными проводами. Она существенно больше, чем емкость в зазоре меж торцами обычного разрезного.
Несмотря на то, что индуктивность и емкость участвуют в расчете в MMANA, две причины всё же могут требовать коррекции.
ПЕРВАЯ - емкость перехлеста рассчитывается с ошибкой из за малого отношения расстояния между проводами к их диаметру.
ВТОРАЯ - перехлест расположен в теле траверсы и она как диэлектрик не может быть введена в расчет в MMANA или NEC.
Обе ошибки одного знака, занижающие фактическую емкость между плечами и необходимо оценить, должны ли они быть учтены в модели, и если да, то как привести модель к фактическому результату. Для этого надо рассчитать емкость, учтённую в программе и фактическую и по их разности принять решение о том, необходимо ли ввести в модель компенсирующий эту ошибку фактор, чтобы привести результат расчета к тому результату, который будет получен фактически, или нет.
ПРИМЕР РАСЧЕТА: Z-вибратор 145 МГц из прутков 5 мм, с сдвигом 12 мм и перехлестом 30 мм на траверсе 25х25 мм из сосны с Er 2.5.
Точный расчет сложен и в нём нет необходимости, поэтому перехлест можно считать как отрезок двухпроводной линии.
В нашем примере её волновое 160 Ом, а погонная емкость 17,3 пф/м или 0,52 пф на отрезке 30 мм для воздуха, а с учетом Er=2,5 древесины 1,3 пф на участке 30 мм.
MMANA считает такую линию как 195 Омную, т. е. с ошибкой в 1,22 раза, которая полностью лежит на заниженной в расчете в 1,5 раза (1,22 в квадрате) емкости между близкорасположеннми проводами, значение которой в расчете было принято как 17,3 /1,5=11,5 пф/м или 0,35 пф на отрезке 30 мм. Итого ошибка составляет 0,95 пф в сторону уменьшения.
Рассчитанная с ошибкой в −0,95 пф параллельная емкость даст ошибку в реактивности Jx входного сопротивления в −2 Ома.
Ошибка незначительная, она приведет к КСВ 1,03 если в расчете было 1,0. Ту же ошибку даст изменение длины вибратора на 2 мм.
C учетом вариаций Er древесины от 1,5 до 4 и допущенных упрощений расчета ошибка может быть вдвое меньше или больше.
Далее могут быть варианты:
1 - ошибкой пренебречь, моделировать с 0 реактивностью во входном, а решение принять по результату изготовления.
2 - моделировать с нулевой реактивностью, но с утолщеным диаметром провода с источником (центральной жилой кабеля). Утолщенным настолько, чтобы его индуктивность была меньше на те самые −2 Ома погрешности расчета реактивности. Фактически индуктивность будет больше и компенсирует погрешность. Чтобы и модель и антенна отвечали требованиям к антеннам для ЕМЕ, на странице ВК 145 МГц с разрезным и Z-вибратором в моделях с Z-вибратором выбран 2 вариант. В них предполагается использовать кабели типа РК50-4,8-3х с диаметром центральной жилы 1,72 мм. Вводимый для компенсации диаметр 5 мм (радиус 2,5 мм)
Величина ошибки зависит от отношения расстояния между проводами к их диаметру. На странице ВК 145 МГц с разрезным и Z-вибратором предложены 3 варианта расстояний и диаметров проводов вибратора: 10/4 мм, отношение 2,5; 12/5 мм, отношение 2,4 и 14/6 мм, отношение 2,33. Меняется отношение - меняется и величина ошибки, но пропорционально меняется и длина провода с компенсацией и его индуктивность, поэтому диаметр провода с источником для этих 3 вариантов один и тот же, 5 мм.
В заключение
Ошибка незначительная, а при увеличении отношения "сдвиг/диаметр" до 3...4 о ней вообще не стоило бы писать, и без неё и в самой модели и на её пути к реальной антенне их мелкое множество, но если есть возможность учесть хотя бы некоторые из них, то почему бы и нет?