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.
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.
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.
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].
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.
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:
- https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-0348-6974-4_4
- Karl Rothammel – DM2ABK. Antennenbuch. Deutscher Militarverlag,
1968.
- E.
Schanda – Theorie der elektromagnetischen Wellen, Springer Basel AG 1969.
- Gheorghe Oproescu - Tavi YO4BKM
-
