Почему индуктор не является хорошей антенной?

[Антенна должна иметь] ток, протекающий по ее длине, так что результирующие поля излучают эту энергию в пространство. (Приемные антенны только этот процесс в обратном порядке).

[Это] объясняет, почему вы не можете просто наклеить на плату небольшой контур резервуара и ожидать, что он будет излучать эффективно.

^{( источник )}

Я понимаю, что это правда из опыта, но я не понимаю, почему. Я предполагаю, что размер антенны как-то меняет поля, которые она создает, но как это заставляет энергию излучаться более эффективно? Как выглядит излучающая энергия?

Я понимаю необходимость настройки антенны. Мне просто интересно, как после того, как мы настроили передачу максимальной мощности на антенну, мы получаем больше этой энергии, чтобы идти на приемную антенну.

Действительно, это может быть очень хорошая антенна. Смотрите не дальше, чем транзисторные радиоприемники и AM-приемники. В этих вездесущих потребительских товарах антенна состояла из кусочка феррита с очень низкими потерями и очень высокой диэлектрической проницаемостью. Он был обмотан многими витками * тонкого медного провода. Высокая диэлектрическая проницаемость дала антеннам эффективную площадь поперечного сечения - из-за диэлектрической проницаемости - (если я правильно помню) квадратной мили или около того, таким образом доводя электрический размер антенны до размеров длины волны, которую она принимала.

С технической точки зрения, вы можете считать, что антенны взаимодействуют с частью магнитного поля излучающего вектора Пойнтинга.

Напряженность поля на расстоянии от индуктора является критически важной. Если индуктор хорошо экранирован, с нулевым полем в пространстве поблизости, то он не будет действовать как антенна. Очевидно.

Итак, как мы можем максимизировать дальнее поле индуктора и создать хорошую радиоантенну? Ну, во-первых, мы должны задуматься о дистанции. На каком конкретном расстоянии от индуктора должно быть сильное поле? Ответ: 1/4 длины волны. Это несколько «магическое» значение, которое выпадает из физики бегущих электромагнитных волн, взаимодействующих с проводящими объектами. Если поле на 1/4 длины волны от индуктора незначительно, то индуктор электромагнитно экранируется для этой частоты. Но если поле является значительным на этом расстоянии, то индуктор может выступать в качестве антенны.

YT анимация: поля вокруг антенны

Почему 1/4 длины волны? Выше приведена анимация MPG из вступительного курса E & M в MIT. Внимательно изучите анимацию. AC применяется к небольшой катушке в центре, и капли замкнутых круговых силовых линий разлетаются в виде электромагнитных волн. Но очень близко к местоположению катушки, структура поля не летит наружу. Вместо этого просто расширяется и рушится. Рядом с нашей катушкой-антенной поле напоминает поле простого электромагнита. Он увеличивается по мере увеличения тока катушки и падает внутрькогда ток уменьшается. Но на большом расстоянии от катушки модель действует совсем по-другому, и она просто непрерывно движется наружу. Где поведение поля вносит свои изменения? На расстоянии 0,25 длины волны. На расстоянии 1/4 волны линии поля «сужаются» в мгновенную форму песочных часов, затем они отрываются и вылетают наружу в виде продолговатых замкнутых кругов.

Объем пространства в пределах 1/4 волнового расстояния от катушки называется областью ближнего поля и демонстрирует расширяющиеся / сжимающиеся структуры поля простого индуктора. На большем расстоянии, в районе Дальнего поля, поля ведут себя только как бегущее электромагнитное излучение.

Больше анимаций MIT видят особенно последние

Самый простой способ гарантировать, что поле сильное на расстоянии 1/4 длины волны, состоит в создании индуктора, который действует как дипольный электромагнит. Но сделайте электромагнит, где его магнитные полюса находятся примерно на половине длины волны. Купите себе ферритовый стержень длиной 1/2 волны, а затем используйте этот стержень в качестве индуктивного сердечника. Еще проще: просто намотайте катушку индуктивности как обруч с радиусом около 1/4 волны.

Другой способ сделать поле сильным на расстоянии 1/4 волны - это использовать очень маленький индуктор, но увеличить ток индуктора до гораздо более высокого значения. В этом случае даже очень маленькая катушка может излучать много электромагнитного излучения. Но это приводит к практическим проблемам: маленькие катушки являются неэффективными антеннами из-за нагрева провода. Если большая часть мощности вашего передатчика будет направлена ​​на создание огромного тока и тепла антенны, а не на излучаемые электромагнитные волны, вы будете разряжать свои батареи (или получать большие счета от электрической компании). Если это не имеет значения в вашем ситуации, тогда не требуется 1/4 длины волны башни. Маленькая рамочная антенна будет работать нормально, и она может быть намного меньше, чем 1/2 диаметра волны.

Что касается портативных AM-радиостанций и их относительно небольших антенных катушек, в этом случае мы используем немного больше «волшебства» для увеличения тока катушки. Если индуктор используется как часть параллельного LC-резонатора, то всякий раз, когда он приводится в действие небольшим сигналом, ток в резонирующей петле LC увеличивается до очень высокого значения. Он поглощает входящие электромагнитные волны, и ток катушки постепенно увеличивается. Его рост ограничивается только сопротивлением провода, и если сопротивление достаточно низкое, то оно ограничивается только потерями на электромагнитную эмиссию. Катушка с нулевым сопротивлением в резонансе может увеличивать окружающие ее поля до тех пор, пока напряженность поля на расстоянии 1/4 волны от индуктора не станет такой же, как напряженность поля входящих электромагнитных волн. В этих условиях крошечная катушка ведет себя «электрически большой» ведет себя как поглотитель электромагнитных волн диаметром около 1/2 волны. (Обратите внимание, что в нижней части диапазона AM на частоте 550 кГц диаметр полуволны составляет около 900 футов!)

В отличие от других приемников, в портативных радиостанциях диапазона AM есть два отдельных настраивающих конденсатора: один для местного генератора, который является частью системы супергетического приемника, и другой, который подключен параллельно к катушке с ферритовым сердечником. Обратите внимание, что LC резонанс необходим только тогда, когда рамочная антенна намного меньше, чем 1/4 длины волны в радиусе. Обычные «электрически большие» рамочные антенны не нуждаются в этом конденсаторе; они уже имеют подходящий размер для своей рабочей длины волны, а добавочный настраивающий конденсатор только усугубит ситуацию.

Вот еще один взгляд на весь вопрос.

Трансформатор - это не пара рамочных антенн!

Например, возьмем трансформатор с воздушным сердечником шириной в дюйм, работающий на частоте 60 Гц. Поскольку мы перемещаем вторичную катушку далеко от первичной, индуктивная связь между ними быстро падает до нуля. Это происходит потому, что картина поля, окружающего первичную катушку, идентична диаграмме поля дипольного магнита ... и интенсивность потока диполей падает как 1 / r ^ 3. Увеличьте расстояние между первичной и вторичной обмотками в 1000 раз, и поток во вторичной катушке будет в миллиард раз слабее.

Хорошо, теперь увеличьте частоту привода, но используйте генератор сигнала постоянного тока, чтобы ток первичной катушки оставался таким же, как и раньше. Сначала ничего странного не произойдет. Ваш трансформатор работает одинаково в широком диапазоне частот. Но на очень высокой частоте неожиданно появляются новые странные эффекты. Кажется, что первичная катушка, чистый индуктор, внезапно создает внутренний резистор, и энергия начинает теряться. Но катушка не нагревается! Энергия как-то ускользает. И вдруг значение потока, получаемого вторичной катушкой, начинает увеличиваться. Ваши две катушки больше не трансформатор. Они стали парой радиоантенн: рамочные антенны. Вы даже обнаружите, что удаленные конденсаторы (пары отдельных электродов) теперь начали собирать поле с первичной катушки. Сила картины поля больше не падает как 1 / r ^ 3, а скорее как источник света, и падает с расстоянием как 1 / r ^ 2. На какой частоте все это происходило? Угадай! :)

PS

Я вижу, что доктор Белчер из MIT портировал эти оригинальные mpegs на Youtube. Вот три вида базовой радиоантенны:

• Рядом: простой индуктор, поле расширяется и сжимается
• Средний: излучающий индуктор, поле отслаивается и улетает
• Далеко: электромагнитные волны текут наружу от антенны

И вот что происходит, когда мы внезапно отделяем положительно заряженный пробковый шар от отрицательного.

Когда вы делаете традиционный индуктор, вы пытаетесь минимизировать индуктивность рассеяния . При этом вы пытаетесь заставить как можно больше магнитного поля прорезать соседние витки провода. Тороидальный индуктор особенно хорошо держит свое поле при себе.

Часть "утечки" - это то, что излучается в космос, не будучи захваченным катушкой. Это рассматривается как "потеря", насколько катушка заинтересована. Когда вы делаете антенну, вы пытаетесь максимизировать эту утечку, потому что вы хотите, чтобы она излучала в космос.

Скорее всего, вас интересует условие, которое мы используем в EMF, называемое Reciprocity .

Большинство антенн, как и одна из самых простых и полезных, - это электрический диполь . Поскольку система является как линейной, так и не зависящей от времени, вы можете с большой математикой показать, что прием с антенной такой же, как и передача. Это используется, когда пришлось анализировать несколько антенн, потому что решить уравнения для излучения с источником антенны и измерить поле в свободном пространстве намного проще, чем пытаться сделать обратное.

Выше я отметил условие линейности, антенны, которые используют магнитный сердечник, часто могут иметь нелинейное поведение, что часто не является проблемой, пока вы находитесь в приемлемом диапазоне напряженности поля, но это также означает, что измерение излучения от Антенна часто не коррелирует с силой приема. Улучшение в сети настройки - это улучшение, которое вы, вероятно, увидите в обоих случаях, но доверие к измеренному полю для поля, передаваемого в ваш кабель, очень просто не будет соответствовать противоположному пути.

Как выглядит поле, оставляющее антенну? Я снова собираюсь использовать один из самых простых, электрический диполь.

От: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Felder_um_Dipol.jpg

Итак, когда у вас есть волна в свободном пространстве, она распространяется без границ. Когда у вас есть волна в кабеле, он обычно связан между проводниками. Коаксиальный кабель является примером ограниченного волновода в моде ТЕА . Задача антенны - согласовать и соединить волну в волноводе с импедансом свободного пространства и помочь ему излучать. Когда вы смотрите на электрический диполь, вы можете видеть, что волна соединяется с этой структурой, которая будет плавно соединяться с пространством, когда провода расходятся. Это, как минимум, способ думать об этом.

Я также высказал мысль о том, чтобы сказать электрический диполь, когда говорил и приводил примеры. Интересно подумать о том, как работает рамочная антенна. Магнитный диполь будет иметь ту же структуру поля как электрический диполь вы видели, но переключение линий электрического поля с магнитными и наоборот. Проблема в том, что изгибающееся магнитное поле не будет такой большой петлей, как электрический полудиполь, и добраться до этой точки довольно сложно.

Обратите внимание, что в чистом индуктивности индуктивности L Генри импеданс Z = 2 pi FL j является чисто комплексным, и из обобщенного закона Ома V / I = Z, так что ток и напряжение будут на 90 градусов сдвинуты по фазе и не будет передаваться мощность произойдет.

Тем не менее, катушки реального мира не являются чистыми индукторами, но также имеют емкость и, следовательно, могут даже быть саморезонансными на некоторой частоте.

На ВЧ-частотах руководство ARRL отмечает, что примерно 0,5 длины волны провода, обернутого на стекловолоконную опору, с «емкостным колпачком» или нагрузкой провода вверху, создает полезную компромиссную антенну для ситуаций, когда диполь на половину длины волны или вертикаль на четверть длины волны слишком велик ,

Я построил такую ​​антенну на 3,8 МГц, состоящую из примерно 40 м провода, расположенного на расстоянии ~ 1,5 см на оборот, с зубочистками, приклеенными к отверстиям, просверленным на столбе диаметром ~ 4 см длиной около 5-6 м. Емкость была 4 толстых (~ 8 калибра) провода в верхней части около 2 м в длину. Окончательная настройка была выполнена с помощью антенного анализатора и дюжины дополнительных плотно намотанных витков провода внизу для достижения пересечения X = 0. R обычно не 50 Ом, поэтому требуется антенный тюнер. Эта установка была пригодна для установления контактов вокруг восточной и центральной части США и от восточной части США до Европы с использованием только 100 Вт SSB. Обычно другие станции имели превосходную антенну ... но все же это было пригодно для использования.

Как выглядит излучающая энергия?

Это для передающих антенн. Выход AM выглядит следующим образом (синим цветом):

Лучшая настройка антенны, больше передаваемой энергии.

Лучшая настройка антенны, меньше отраженной энергии.

Лучше ваша настройка антенны, лучше ваш КСВ.

Больше энергии передается в воздух, больше энергии поступает в настроенный контур!

Редактировать: как просили в комментариях.

Что делает хорошую антенну хорошей?

Длина антенны соответствует длине волны сигнала, который вы пытаетесь получить или передать. Линия подачи также должна быть согласована таким образом, чтобы сигналы не отражались и около 100% мощности сигнала проходило в любом направлении (tx или rx), а потери были низкими.

Вы будете рады узнать, что даже полное сопротивление точки подачи идеальной полуволновой дипольной антенны на самом деле является частично индуктивным .