hamradioshop.ro
Articole > Radioamatorism - opinii Litere mici Litere medii Litere mari     Comentati acest articol    Tipariti

UN CONDUCTOR CARE A FĂCUT ISTORIE: CONDUCTORUL GOUBAU

Gheorghe Oproescu - Tavi YO4BKM

De la sfârșitul secolului XIX fizicienii finalizaseră teoria undelor electromagnetice valabilă până azi. Ei știau că un conductor parcurs de un curent de radiofrecvență devine un fel de ghid prin undele de suprafață care apar în jurul lui, excitate de mișcările accelerate ale electronilor din conductor. Primul care a încercat să rezolve problema acestora a fost Hertz folosind ecuațiile lui Maxwell, fără să reușească deoarece folosea un model ultrasimplificat alcătuit dintr-un conductor infinit de subțire și cu rezistivitate nulă. Abia în 1899 Sommerfeld a rezolvat problema prin considerarea conductorilor reali, plasati în medii reale. Tot lui Sommerfeld îi revine meritul de a publica în 1909 o sinteză a ce se știa pînă atunci într-o lucrare memorabilă, „Über die Ausbreitung der Wellen in der drahtlosen Telegraphie” (Despre propagarea undelor în telegrafia fără fir), Annalen der Physik Nr. 4, Band 28 (72 de pagini!). În ce privește undele de suprafață, ele ocupă un capitol însemnat al voluminoasei lucrări „Theorie der elektromagnetischen Wellen” (Teoria undelor electromagnetice) [1]. Singurul lucru care nu se știa la începutul secolului trecut era de natură practică, nu se știa de existența ionosferei, descoperită mult mai târziu și repede fructificată deoarece toate modelele teoretice erau deja puse la punct.   

În 1907 Friedrich Harms a anticipat fenomenele care apar într-un conductor învelit cu un strat gros de material izolator apoi plasat în aer (sau vid) iar folosirea lui practică a fost brevetată în 1950 (patent US2685068A) de fizicianul german Georg Johann Ernst Goubau (1906-1980), fost profesor la Universitatea din Jena apoi emigrat in SUA. Folosirea lui practică s-a făcut sub denumiri comerciale diferite, Harms-Goubau sau Goubau.

Inițial conductorul s-a numit „conductor de undă monofir” deoarece nu transportă curent de radiofrecvenţă ci unde electromagnetice, o denumire mult mai apropiată de realitate. El este realizat dintr-un fir de cupru acoperit cu un strat izolator gros din material plastic (de obicei polietilenă), figura 1.

 

 

Text Box:  
Figura 1. Secțiune longitudinală 
    printr-un conductor Goubau

În felul acesta undele electromagnetice care se formează în  jurul conductorului sunt concentrate foarte aproape de el. Explicaţia stă în diferenţa dintre viteza de propagare a acestor unde prin aer  (unde viteza de propagare este foarte apropiată de viteza în vid, adică ) şi printr-un alt mediu unde viteza de propagare este  şi se determină cu relaţia  cu  permitivitatea dielectrică relativă iar  permeabilitatea magnetică relativă a dielectricului în raport cu vidul (aerul). Diferenţa de viteze de propagare duce la diferenţe între impedanţa dielectricului şi impedanţa aerului ceea ce face ca unda care părăsește mediul cu viteza mai mică să se apropie de suprafața de separație, adică de conductor, când pătrunde în mediul cu viteză mai mare, figura 2.

Text Box:  
Figura 2. Refracția undelor


Cand unghiul de incidență al undei din mediul 1 (unghiul  făcut cu normala N-N la suprafața de separație) face să apară în mediul 2 un ungí de refracție  de 900 în raport cu aceeași normală, unda nu mai părăsește mediul 1. Acest unghí se numește unghí limită de incidență peste care undele nu mai părăsesc dielectricul iar această proprietate se folosește, de exemplu, la ghidurile de genul fibrelor optice.

Folosind pentru mediul 1 polietilena, cu  și se obține  (coeficient de viteza 0,64). Pentru  unghiul limită are valoarea , deci pentru valori unda aflată în materialul izolator nu mai părăsește mediul și se transmite ca printr-un ghid de undă. Dar la conductorul Goubau fenomenele sunt mult mai complexe. Undele electromagnetice nu sunt introduse axial în conductor din afară (precum lumina într-o fibră optică) ci apar pe toată lungimea conductorului ca urmare a mișcărilor accelerate ale electronilor care oscilează cu frecvența tensiunii de radiofrecvență aplicată iar ce rezultă este produsul interferenței tuturor undelor elementare create de toți electronii din conductor. O parte din undele rezultate părăsește materialul izolator iar calculele arată că cca 90% din energia acestora se concentrează într-un cilindru cu raza de 0,7λ în jurul conductorului. Diametrul acestui cilindru se numeşte diametru limită și este influențat de raportul dintre diametrul firului metalic și al dielectricului.

Adaptarea conductorului cu stația radio sau cu antena se face folosind un cablu coaxial scurt și o pâlnie din metal, figura 3. Tresa cablului coaxial se leagă la pâlnie iar firul central la conductorul Goubau.

Text Box:  
Figura 3. Conectarea conductorului Goubau la
 cablul coaxial


Diametrul pâlniei la gura sa nu trebuie să fie mai mic decât 0,5λ, această limită inferioară este motivată în cazul lungimilor mari de undă unde dimesiunile mari pun probleme de execuție și de exploatare. Valoarea recomandată este de 68% din valoarea diametrului limită iar lungimea sa de 1λ. În cazul unor lungimi de undă mai mari pâlnia se poate executa și în 2-3 trepte cu unghiuri de deschidere crescătoare spre gura acesteia, figura 4 [2]. Dar, chiar și în astfel de condiții acest lucru limitează folosirea conductorului Goubau la domeniul undelor ultrascurte.

Conductorul Goubau se amplasează pe trasee rectilinii, permiţându-se schimbări de la direcţia rectilinie sub unghiuri de maxim 200, deoarece unghiurile mai mari au ca efect micșorarea unghiului  și împrăștierea unei mai mari părți de energie în afara diametrului limită.

 Conductorul Goubau trebuie poziționat la o depărtare de cel puţin raza de 0,7λ de orice obiect conductor, preferându-se stâlpi din lemn cu console transversale destul de lungi de care se agaţă, figura 5 [2].


Text Box:  
Figura 4.Pâlnia în trepte

Text Box:  
Figura 5.Instalarea  conductorului Goubau

Am găsit exemple de utilizare concretă a acestui conductor în fosta RFG unde a fost folosit sub denumirea comercial de conductorul Harms-Goubau la alimentarea antenelor de emisie TV ale posturilor din Hamburg-Billwerder, München-Ismaning si Münster-Nottuln în banda II (86-104 MHz) și IV/V (470-789 MHz) între anii 1958-1963. Lungimea acestui conductor ajungea pînă la 300 m si eficiacitatea era evidenta deoarece pierderile erau la nivelul a 15% din cele ale unui cablu coaxial de foarte bună calitate [3].

În afară de utilizarea la statii de emisie TV, conductorul a avut o largă utilizare și printre abonații TV sau ai radioului pe UUS din regiunile deluroase când erau puține relee de retransmitere sau nu existau sateliți de radiocomunicații, cel mai mult fiind raspandit in RDG sub denumirea comercială de conductor Goubau. Eficacitatea sa era atât de bună încât se folosea la alimentarea televizoarelor din zone montane direct de la antene aflate la câţiva km de locul televiorului, fără amplificator montat lângă antenă. În tabelul 1 [2] se arată valori ale atenuării prin conductor Goubau în comparaţie cu cablurile coaxiale de cea mai bună calitate, la frecvenţa de 200MHz. Pentru cine are cartea lui Rothammel fac precizarea că în carte atenuările sunt exprimate în Np/km (Neper/km), relația de transformare fiind 1 Np=8,686 dB. 

Text Box: Tabelul 1. Atenuări în diferite conductoare la 200 MHz
Tip de conductor	Atenuarea în dB/km
Goubau cu diametrul peste izolaţie de 25 mm	2,17
Goubau cu diametrul peste izolaţie de 10 mm	5,21
Goubau cu diametrul peste izolaţie de 8 mm	6,08
Goubau cu diametrul peste izolaţie de 5 mm	8,00
Coaxial cu diametrul exterior de 25 mm si dielectric aer	37,34
Coaxial de calitate cu dielectric din plastic	78...130
Cablu bifilar cu dielectric plastic	78...260

Text Box: Tabelul 2. Atenuări la diferite frecvențe
Frecvanța medie
(MHz)	Atenuarea in dB/km
	2mm fir central/
5 mm polietilenă	4mm fir central/
10 mm polietilenă	RG11/U     (cel mai bun 
în 1968 după standardele USA)
100	-	-	75,5
150	6,68	4,34	-
200	8,25	5,47	-
250	9,55	6,60	-
500	17,32	12,16	164

Firma VEB Kabelwerk din Vacha (fosta RDG) producea în mod curent conductori Goubau cu diametrul firului central de 2mm şi dielectric cu diametrul exterior de 5 mm sau cu diametrul firului central de 4 mm şi dielectric cu diametrul exterior de 10 mm. Dielectricul era din polietilenă iar pierderile sunt arătate în tabelul 2 [2].

 

DM2ABK recomandă folosirea conductorului Goubau și pentru traseele dintre emițător şi antenă, efectul fiind deosebit de favorabil, mai ales când antena este amplasată la mare înălțime față de stație iar diametrul mare al firului central permite transmiterea de puteri mari. Mai adaug faptul că, la momentul scrierii cărții, se foloseau conductori Goubau în mod curent până la distanțe de 20 km.

În afară de conductor cu pierderi mici, conductorul Goubau mai poate fi folosit și ca antenă artificială neradiantă. În acest caz dielectricul care se aplică în jurul conductorului metalic trebuie să aibe pierderi mari iar conductorul trebuie să fie lung cât cel puțin 20 de lungimi de undă. 

În afară de avantajele arătate mai sus conductorul Goubau are și dezavantaje însemnate:

-          Nu suportă apropieri de medii conductoare care „fură” din energía undelor;

-          Trebuie instalat rectiliniu, cu foarte puține schimbări de direcții și pe unghiuri mici;

-          Este influențat de umezeală (ploi, zăpadă), transformat în avantaj cand este folosit ca antenă artificială;

-          Polietilena se depreciază sub influența razelor ultraviolete;

Cu toate aceste dezavantaje, la vremea lui era de preferat în loc să se amplaseze zeci de relee Radio-TV iar sateliții nu existau în anii ’50. Pierderile sale foarte mici (în dB) comparativ cu cel mai pretențios cablu coaxial pot suscita și azi interesul, mai ales în domeniul undelor centimetrice ori milimetrice unde atenuările sunt cu mult mai mici în raport cu cablurile coaxiale, pâlniile au dimensiuni reduse iar dielectricii de azi sunt cu mult mai performanți în privința pierderilor decât cei de acum peste o jumătate de secol.

 

Bibliografie:

  1. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-0348-6974-4_4
  2. Karl Rothammel – DM2ABK. Antennenbuch. Deutscher Militarverlag, 1968.
  3. E. Schanda – Theorie der elektromagnetischen Wellen, Springer Basel AG 1969.

Gheorghe Oproescu - Tavi YO4BKM

Articol aparut la 19-10-2020

1193

Inapoi la inceputul articolului

Comentarii (10)  

  • Postat de Andrei - YO8TOT (yo8tot) la 2020-10-20 11:31:50 (ora Romaniei)
  • Foarte interesant. Nu stiam ca exista asa ceva. Se pare ca atenuarea este mai mica chiar fata de cablul tip scarita.

  • Postat de Adrian - YO3HJV (yo3hjv) la 2020-10-20 12:32:34 (ora Romaniei)
  • Este monofilar, nu? Al doilea "fir" este o impamantare?

  • Postat de Andrei - YO8TOT (yo8tot) la 2020-10-20 13:20:24 (ora Romaniei)
  • Nu cred ca foloseste impamantare. Palnia este al doilea "fir". Aici se vede mai bine:
    https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/10/Goubau_line_antenna_lead-in_Radio_%26_Television_News_April_1955.jpg

  • Postat de Adrian - YO3HJV (yo3hjv) la 2020-10-20 15:58:12 (ora Romaniei)
  • Ha! Interesant! Acum m-am uitat cu lupa la figura 3 si intr-adevar, asa e! :-) Mersi!

  • Postat de Oproescu Gheorghe - Tavi - YO4BKM (yo4bkm) la 2020-10-20 16:49:45 (ora Romaniei)
  • @YO8TOT, este mai bun ca o linie tip scarita deoarece, din cauza izolatiei si a fenomenelor care apar de aici, devine "conductor de unda", respectiv se propaga o unda electromagnetica pe langa el, nu prin el pe cand la scarita prin ce cele doua fire se propaga un curent de radiofrecventa, "dus" si "intors", cu pierderi din cauza rezistivitatii firului si a sectiunii foarte reduse prin care trece. Radiofrecventa nu mai circula prin toata sectiunea conductorului ci pe un strat de la suprafata, a carui grosime scade cu cresterea frecventei.
    @YO3HJV, nefiind un conductor de alimentare ci "un conductor de unda" nu are nevoie de al doilea fir si nici de pamant pentru "intoarcere", palnia contribuie la "adunarea" undei in mod similar cu palnia din gatul unei sticle care aduna "unde" fluide. Sau ca o antena horn, de fapt o palnie. Daca prin axul "undelor" fluide s-ar fixa un ghid solid (o vergea, chiar si curbata) "undele" fluide o vor urmari si ar trece mult mai usor prin palnie. Ca la scurgerea cazii din baie daca pui degetul in axul ei, golirea este mai rapida.
    Comparatia pe care am dat-o nu este noua si, cu secole in urma, a dus la o mare descoperire. Convinsi ca electricitatea este asemenea unui fluid, unii s-au gandit ca pot "turna" fulgerul intr-o butelie de sticla introducand conductorul paratraznetului in ea. Si ... l-au turnat, masurand au constatat ca butelia se electrizase puternic la interior. Asa a fost descoperit condensatorul, o butelie ... de Leyda in 1745 de savantul Ewald Jürgen von Kleist și fizicianul Pieter van Musschenbroek, independent unul de altul. Perfectionat prin adaugarea de armaturi s.a.m.d.
      Comentariu modificat de autor.

  • Postat de Ilie - YO6OCT (yo6oct) la 2020-10-22 07:48:49 (ora Romaniei)
  • Nu am citit până acum vreun articol despre conductorul Goubau.Felicitări domnule Oproescu pentru prezentarea făcută!

  • Postat de Oproescu Gheorghe - Tavi - YO4BKM (yo4bkm) la 2020-10-25 09:03:06 (ora Romaniei)
  • @YO6OCT, TNX!
    Multe lucruri bune pe vremuri au fost uitate din diferita motive, conductorul Goubau nu este singurul. Poate ca multi au vazut "pe viu" sau in poze aparate de radio din perioada interbelica si au remarcat dimensiunile mari ale bobinelor, nu din cauza frecventei joase folosite mult atunci, voluminoase erau chiar si bobinele pe unde scurte. Pentru ca pe atunci se exploata tot ce putea aduce avantaje si se stia ca o bobina are cel mai bun factor de calitate pentru un anumit raport dintre diametru si lungime. Acest lucru se stie si azi, dar cresterea puterii la emisie sau amplificarea mai mare a semiconductorilor au devenit mult mai "confortabile".

  • Postat de Florentin - YO9CHO (yo9cho) la 2020-10-26 11:48:04 (ora Romaniei)
  • Bine venit articol. multumesc dle Oproescu. Prima oara am vazut asa ceva la o statie radioreleu in armata prin 1974. Iata alte cateva articole: https://dailydialectics.com/SommerfeldGoubau/SommerfeldGoubau
    https://www.researchgate.net/figure/Sketch-of-a-Goubau-line-for-bench-testing_fig1_279748559
    https://youtu.be/ByMWD6zCQP0
    https://www.rfcafe.com/references/radio-news/g-line-community-tv-system-november-1956-radio-television-news.htm
    http://www.jpier.org/PIERM/pierm54/04.16120207.pdf
    https://slideplayer.com/slide/8269277/
      Comentariu modificat de autor.

  • Postat de Adrian [Ady] DONE - YO8AZQ (yo8azq) la 2020-10-30 19:45:53 (ora Romaniei)
  • Prin anii 80, la cateva case de pe valea Seaca (Campulung Moldovenesc) erau cateva antene TV conectate prin asaceva (pe post de conuri erau lighene de aluminiu din comert) la televizoarele din casele de pe malul opus al vaii. Numai asa puteau receptiona releul de pe Rarau. Distanta era in jur de 100 m. Nu am stiut ce era in spatele montajului, dar functiona!

  • Postat de Liviu - YO2BCT (yo2bct) la 2020-11-07 19:01:50 (ora Romaniei)
  • Pentru radioamatori ar putea fi interesanta trimiterea semnalului (1 - 5 GHz) la o antena instalata sus pe bloc sau pe un pilon , printr-o linie G verticala, fara suporti sau indoituri generatoare de pierderi. Linia s-ar putea face dintr-un cablu coaxial vechi "jupuit" de tresa metalica.

    Scrieti un mic comentariu la acest articol!  

    Opinia dumneavoastra va aparea dupa postare sub articolul "UN CONDUCTOR CARE A FĂCUT ISTORIE: CONDUCTORUL GOUBAU"
    Comentariul trebuie sa se refere la continutul articolului. Mesajele anonime, cele scrise sub falsa identitate, precum si cele care contin (fara a se limita la) atac la persoana, injurii, jigniri, expresii obscene vor fi sterse iar dupa caz se va ridica dreptul de a posta comentarii.
    Comentariu *
     
    Trebuie sa va autentificati pentru a putea adauga un comentariu.


    Opiniile exprimate în articole pe acest site aparţin autorilor şi nu reflectă neapărat punctul de vedere al redacţiei.

    Copyright © Radioamator.ro. Toate drepturile rezervate. All rights reserved
    Articole | Concursuri | Mica Publicitate | Forum YO | Pagini YO | Call Book | Diverse | Despre Radioamator.ro | Contact